Концепция почвы как множества сред обитания микроорганизмов

С микробиологических позиций почва представляет собой крайне гетерогенную среду и не может рассматриваться как еди­ная однородная среда обитания. Благодаря своей структуриро­ванности и микрозональности она должна рассматриваться, как набор различных микро- и мезосред, в каждой из которых созда­ются различные и часто прямо противоположные условия для развития отдельных групп микроорганизмов. Множество таких микросред может находиться в каждом грамме почвы. Микро- и мезозоны разделены в пространстве и времени. Микроорганиз­мы — это как раз такие организмы, которые адаптированы к развитию в микрозонах. Микроскопические размеры дают им возможность осваивать микросреду. Способность быстро размно­жаться и быстро переходить к покою или крайне замедленному метаболизму дает им возможность за короткий срок освоить мик­розону и выжить при исчерпании запасов питания. Микрозоны могут быть очень небольшими и занимать всего несколько десят­ков или сотен кубических микрометров. При этом в микрозоне часто развивается одна микроколония, состоящая из нескольких десятков клеток одного вида. Иногда такие зоны имеют значи­тельные размеры, например кусок разлагающихся растительных остатков. Они могут иметь большую протяженность при неболь­шой толщине, например, поверхность однородного участка кор­ня (ризоплана).

Микрозональность основывается на локальном поступлении органических остатков и корневых выделений, а также на мик­розональности распределения физико-химических условий (окис­лительно-восстановительного потенциала, рН, концентрации элементов питания и т.д.), минералогических факторов.

Несмотря на огромное количество микроорганизмов, содер­жащихся в почве (миллиарды на 1 г), оказывается, что клетки, как правило, собраны в микроколонии, разделенные пустыми пространствами, которые по площади в сотни и тысячи раз пре­восходят пространства, занятые микроорганизмами. Таким об­разом, микроколонии, состоящие из клеток одного или несколь­ких видов, могут развиваться сравнительно изолированно. Отсюда следует важный вывод о том, что в почве часто развиваются чи­стые микрокультуры микроорганизмов. Это положение было под­тверждено экспериментально при изучении разных почв с помо­щью люминесцентной микроскопии. Пространства, разделяющие микроколонии, настолько велики по сравнению с размерами са­мих колоний, что трудно ожидать их тесного взаимовлияния. Следовательно, изучение чистых культур имеет более прямое от­ношение к почвенной микробиологии, чем считалось ранее. Ос­новной вопрос, который в настоящее время нуждается в разре­шении: насколько развитие в микрокультуре (микроколония) соответствует развитию в макрокультуре на чашках Петри (мак­роколония). Если такое соответствие можно признать достаточ­но полным, то данные, полученные в лабораторных условиях на чистых культурах, можно переносить на почвенные условия. Если развитие в тонких пленках воды, в капиллярах, а также просто в микрокультурах отличается (например, есть сведения, что мик­рокультуры клостридиума не образуют ботулина), то необходимо разрабатывать методы для изучения микрокультур. Метод чис­тых культур дает возможность изучать только генетические воз­можности культуры, а конкретное проявление будет зависеть от экологических условий.

В связи с концепцией микрозональности становятся понят­ными многие аспекты строения и функционирования комплекса почвенных микроорганизмов. Один из важных вопросов состоит в связи микрозональности с широким географическим распро­странением каждого вида микроорганизма. Дисперсия микроор­ганизмов, особенно воздушная, обеспечивает попадание всех почвенных микроорганизмов во все почвы. Если учесть, что сре­да обитания микроорганизмов является микросредой, которая может быть прерывистой во времени, то понятно, что все или почти все почвенные микроорганизмы могут выживать в некото­рых микрозонах любых почв («все есть всюду» — правило Бейе- ринка). Однако в глобальных процессах круговорота веществ су­щественное экологическое значение будут иметь не все почвенные микроорганизмы, а только те, которые многочисленны и прояв­ляют активную жизнедеятельность (пул высокого уровня). При проведении экологических исследований в большинстве случаев нет необходимости устанавливать все существующее в почве раз­нообразие микроорганизмов, а достаточно ограничиться установ­лением доминирующих в важных экологических процессах форм. Таким образом, критерии доминирования приобретают первосте­пенное значение для почвенной микробиологии, причем имеется в виду не только и не столько численное доминирование, а до­минирование в проведении процессов. В одних случаях это мо­гут быть такие глобальные процессы, как разложение целлюлозы или азотфиксация, а в других — синтез определенного витамина или определенной аминокислоты. К сожалению, в настоящее время в большинстве случаев почвоведы-микробиологи могут учитывать только численность определенных видов или даже ро­дов микроорганизмов в почве, да и то с большим трудом и боль­шими погрешностями. Интенсивность процессов, вызываемых определенным видом, почти не поддается определению. Комби­нация методов иммунолюминесценции и авторадиографии позво­ляет не только видеть клетки определенного штамма микроорга­низма в нестерильной почве, но и оценить активность каждой обнаруженной при микроскопии клетки. Но такие методы слож­ны и трудоемки. В связи с этим часто приходится довольствовать­ся условными критериями численности. Для бактерий может бьггь принят условный критерий, который гласит, что существенное экологическое значение бактерии имеют в том случае, если число их клеток не менее 1 млн на 1 мл или 1 г субстрата.

Поиски более редких бактерий могут иметь значение для ин­дикации почв и других целей, но мало дают для оценки процес­сов, происходящих на данном этапе развития экосистемы. Для грибов, дрожжей, водорослей и других необходимо разрабаты­вать свои критерии экологической значимости, учитывая коли­чество микроорганизмов, их размеры и интенсивность метабо­лизма. Поскольку эти организмы по массе приблизительно в 100 раз крупнее, чем бактерии, то для них может быть принят критерий 10 тыс. на 1 г.

Физиологически активные вещества в почве (антибиотики, токсины, витамины, аминокислоты, стимуляторы и ингибиторы роста растений) важны для развития микроорганизмов в микро­зонах. В то же время их глобальная регулирующая роль в мас­штабах всей почвы, хотя и признавалась некоторыми авторами, нуждается в дальнейшем экспериментальном подтверждении или опровержении. Первое место в качестве таких регуляторов, оче­видно, могут занимать газообразные вещества, так как они наи­более быстро диффундируют и могут передавать информацию, являясь «средовыми гормонами». Действие физиологически ак­тивных веществ, в том числе газов или летучих органических ве­ществ, в качестве «средовых гормонов» легко обнаружить в ис­кусственных условиях, когда в почву вносятся большие количества органического вещества, и она перестает функционировать как система микросред и действует как единая система, т.е. перехо­дит в другой тип микробных экосистем. Такое состояние воз­можно для больших частей естественной почвы на небольших отрезках времени, но оно не характерно для всей массы почвы. В почве имеются определенные зоны, функционирующие по дру­гим законам. Прежде всего это зона ризопланы и в какой-то мере ризосферы, пищеварительный тракт беспозвоночных животных, а также подстилка в лесу, степной войлок, разлагающийся торф и др. В этих случаях можно ожидать и искать большую организо­ванность процессов, чем в других частях почвы.

Важным открытием, которое должно использоваться в эколо­гии почвенных микроорганизмов, является кометаболизм. Уста­новлено, что микроорганизмы могут разрушать некоторые труд­нодоступные вещества, в том числе и неприродные органические вещества. Принципы строения и функционирования комплекса почвенных микроорганизмов должны широко использоваться при разработке критериев целостности и повреждения этого комп­лекса в связи с применением удобрений, пестицидов, загрязне­нием почвы, а также при решении вопросов о целесообразности внесения в почву тех или иных «полезных» микроорганизмов или регулирования комплекса почвенных микроорганизмов путем изменения среды обитания.

ЭКОЛОГИЯ КЛЕТКИ

Аутэкология организма — это важный и хорошо разработан­ный раздел современной экологии животных и растений. В от­ношении почвенных микроорганизмов он почти не разрабаты­вался, так как считали, что клетки настолько малы, что здесь трудно получить ценные сведения. Вся физиология и биохимия разрабатываются на популяционном уровне (в отличие от расте­ний и животных). Однако аутэкологии микроорганизмов следует уделять больше внимания. Изучение величины и морфологии клетки дает много ценного.

Организм и среда неразделимы. Эколог говорит: «Скажите, какова среда, и я отвечу, какие организмы здесь обитают. Ска­жите, каковы организмы, и я отвечу на вопрос об особенностях среды». Если известно кое-что о природе окружающих условий, то можно предсказать экологические особенности организмов, можем найти их. Напротив, если известно что-то об организмах, которых нашли в данном местообитании, тогда можно предска­зать кое-что о природе окружающих условий. При проведении аутэкологических исследований исследователь должен постоян­но переходить от опытов с лабораторными средами к опытам с почвой, используя все наблюдения как дополняющие друг друга.

Формы микроорганизмов разнообразны, что имеет большой экологический смысл (рис. 104). Форма фаготрофных организ­мов, например амеб, определяется их потребностью поглощать клетки бактерий или частицы органического вещества. Однако подавляющее большинство микроорганизмов поглощает только молекулы, причем в основном мелкие молекулы, но не полиме­ры. Форма палочек, спирилл и нитей по сравнению с шаром (кокки) увеличивает поверхность клеточной мембраны. В бед­ных средах больше этих форм, чем кокков. Это правило часто не выполняется для почв, однако, здесь кокковидную форму обыч­но имеют покоящиеся клетки. Сферические формы более устой­чивы к высушиванию, вероятно, из-за более равномерного дав­ления на клетку во время высушивания. Кокки и дрожжи являются наиболее обыкновенными аспорогенными микроорганизмами воздуха.

Рис. 104. Морфологическое различие типов бактериальных клеток

Олиготрофные бактерии в почве имеют различные выросты, стебельки, простеки и другие, что позволяет им увеличить пло­щадь поверхности и собирать питание из разбавленных раство­ров. Строение клетка-стебелек-клетка позволяет видам, откла­дывающим на своей поверхности чехол из железа и марганца и образующим в почве ортштейны, выбраться из чехла и продол­жать рост на поверхности железо-марганцевых конкреций (срав­ни с кораллами). Некоторые почвенные бактерии на богатой питательной среде имеют форму шара, но на бедной среде при­обретают форму звезды (Stella humosa), т.е. резко увеличивают площадь поверхности.

Особое значение для жизни в почве имеет мицелиальное строе­ние (грибы, актиномицеты). Нитчатое строение с верхушечным ростом в почве как в гетерогенной микрозональной среде дает такому микроорганизму явное преимущество. Он преодолевает микрозоны без источников питания и ищет благоприятные усло­вия. Мицелиальные микроорганизмы — это типичные почвен­ные организмы (в отличие от водных). В почве грибы победили бактерии и стали главными потребителями растительных остат­ков, хотя в прежние геологические эпохи в воде в цианобактери- альных матах, которые господствовали на земле, основными де­структорами были бактерии. Толщина мицелия актиномицетов в 5-10 раз тоньше мицелия грибов, они медленно растут и им труд­нее преодолевать большие пространства. Однако по биомассе в почве они составляют 25% общей биомассы прокариот. В их про­грессе большое значение имеет то, что они обладают мицелиаль- ным ростом, являются активными гидролитиками и образуют разнообразные антибиотики (стрептомицин, тетрациклины, ле- вомицетин и многие другие).

Размеры микроорганизмов имеют важнейшее экологическое значение и по диаметру варьируют в десятки тысяч раз: вирус 200 А, микоплазма 1000 А, бактерия 10 тыс. А (1 мкм), толщина гиф фибов 100 тыс. А (10 мкм), амеба 1 млн А (100 мкм). Одни из них благодаря фавитационным силам подвергаются быстрому осаждению, другие из-за броуновского движения вообще не осаж­даются. Для осаждения большую роль ифает подвижность кле­ток. Величина клеток имеет большое значение для скорости об­менных процессов. В экологии существует общий закон: чем крупнее организм, тем медленнее он размножается. До сих пор неясно, насколько этот закон применим к микроорганизмам, видимо, если он и применим, то только частично. Максимальная удельная скорость роста микроорганизмов запрограммирована генетически.

Ригидность клеточной стенки микробов очень важна для под­держания внутри клетки повышенного осмотического давления. Клетки экстремальных галофилов (архебактерий) находятся в осмотическом равновесии с окружающей средой. Их клеточные стенки имеют особое строение и стабилизируются ионами калия и натрия.

Большое значение для экологии имеют поверхностные струк­туры. Гидрофильность или гидрофобность клеточной поверхно­сти определяет местоположение клетки в жидкой среде. Гидро­фобные клетки образуют на поверхности пленку, они располагаются на гидрофобных участках поверхности почвенных частиц, а гид­рофильные — в водной толще или на дне. Они будут адгезиро- ваться на гидрофильных почвенных частицах. Важен положитель­ный или отрицательный заряд клетки. Правда, в большинстве случаев он мозаичный. На поверхности клеток бактерий часто на­ходятся фимбрии и пили, которые служат для прикрепления или переноса генетического материала. В некоторых случаях адге­зия клеток определяется специфическими химическими взаимо­действиями адгезина и рецептора по принципу ключ-замок.

Клеточные капсулы предохраняют клетки от действия фермен­тов и обусловливают устойчивость к неблагоприятным факторам. Капсулы часто служат убежищем для микробов-спутников.

Клетки некоторых бактерий имеют внутриклеточные газовые вакуоли, а другие — внеклеточные газовые баллоны. Они важны для газообмена и для изменения положения клеток в воде, ка­пиллярах и водных пленках.

Особый интерес в последнее десятилетие вызывают магнито- бактерии, содержащие в своих клетках магнитосомы с мельчай­шими магнитиками (до 100 частиц на клетку). Они дают ориен­тацию клеткам в магнитном поле Земли. В Северном полушарии клетки должны двигаться к Северному полюсу. Экологическое объяснение этому явлению трудно найти. Однако по линиям магнитного поля клетки должны двигаться не просто на север, но и на дно водоемов, чтобы оказаться в толще ила. Это уже может иметь разумное экологическое объяснение. Магнитобак- терии в большом количестве содержатся и в почве. Зачем им нужны магнитные свойства, пока трудно объяснить.

Движение с помощью жгутиков или скользящее движение помогает клеткам выбирать наиболее благоприятную зону, а так­же способствует их расселению.

Эндоспоры бацилл, клостридий и стадии глубокого анабиоза у других родов бактерий представляют большой интерес для аут- экологии как стадии жизни, в которых не выявляются метаболи­ческие процессы. Эти формы устойчивы к экстремальным усло­виям и отличаются долговечностью.

Особо изучаются половые споры грибов, которые характери­зуются специфическими свойствами. Конидии грибов и актино­мицетов обладают существенным метаболизмом, но также слу­жат для сохранения вида. Грибы очень долго могут сохранять жизнеспособность в сухом состоянии. Экспериментально пока­зано, что это могут быть тысячи лет, например, в гробницах фа­раонов, а в замороженном состоянии в вечной мерзлоте — мил­лионы лет. Вероятно, фибы, как и бактерии, имеют структуры, сохраняющиеся в состоянии глубокого покоя очень долго даже при физиологически благоприятных условиях (влажность, тем­пература, питание), но здесь нужны экспериментальные доказа­тельства.

Имеется еще множество свойств клеток, которые должна рас­сматривать аутэкология.

ЭКОЛОГИЯ ПОПУЛЯЦИЙ

Экология популяций чистых культур микроорганизмов изучена наиболее досконально по сравнению с животными и растениями. Кинетика роста микробных популяций выражена в математических формулах, установлены многие важные законо­мерности роста. Однако изучение микробных популяций непос­редственно в почве не проводилось, так как не было методов для проведения таких исследований, но в последнее время такие ме­тоды появились.

1. Генетическая маркировка. В почву вносится штамм микро­организма, маркированный по какому-либо свойству, например, антибиотикоустойчивости. Он вносится в почву и затем следят за его судьбой. Для определения численности внесенного микро­организма на разных этапах развития из почвы делаются высевы на питательную среду с антибиотиком, являющуюся элективной для данного штамма. Колонии дают только клетки внесенного штамма, а собственно почвенные микроорганизмы не растут. Генетическая маркировка проводится также при введении генов, кодирующих образование фермента, расщепляющего бесцветное вещество с освобождением его части, обладающей окраской. Тогда колонии внесенного штамма в отличие от всех остальных оказы­ваются окрашенными, их легко отличить.

2. Микроскопическая иммунолюминесценция (метод флуорес­цирующих антител). С помощью люминесцентной микроскопии изучается серологическая реакция между антителами и антигена­ми, причем до реакции антитела соединяются с флуорохромами.

Метод основан на способности флуорохромов вступать в связь с антителами без ущерба для присущей антителу специфичности в связывании антигена. Для разных объектов эта реакция может быть штаммо-, видо- или родоспецифичной. Для клубеньковых бактерий она использовалась наиболее часто и является штам- моспецифичной.

3. Использование штаммов или видов легко определяемых по своим культуральным свойствам. Это либо специфический вид колоний (бациллы, многие актиномицеты и грибы), либо обра­зование пигмента.

Для изучения динамики популяции был использован актино- мицет, образующий люминесцирующий антибиотик гелиомицин. Благодаря наличию антибиотика колонии актиномицета при осве­щении их ультрафиолетовыми лучами приобретают характерное яркое оранжевое свечение и тогда их легко отличить среди дру­гих микроорганизмов, вырастающих на питательной среде. По­левые опыты, продолжавшиеся в течение года, показали (рис. 105),

что наблюдается доволь­но сложная картина раз-

Рис. 105. Динамика популя­ции Streptomyces olivocinereus и аутохтонных актиномице­тов в дерново-подзолистой почве (полевой опыт):

/ — аутохтонные актиномицеты; 2 — Str. olivocinereus (внесен мицелий); 3— Str. olivocinereus (внесены спо­ры); N — численность колоний

вития актиномицета во времени. Резкие колебания численности отмечаются на протяжении первых трех месяцев после внесения. Затем популяционная численность стабилизируется на уровне 10⁶ клеток на 1 г и остается постоянной в течение девяти меся­цев. Внесенный актиномицет вписывается в общий актиноми- цетный комплекс почвы и в общих чертах повторяет динамику его развития. Форма внесения актиномицета (споры или мице­лий) не оказывает решающего влияния на общую картину ди­намики.

Динамика популяции этого актиномицета зависит от особенно­стей типа почвы (рис. 106). В среднеазиатском сероземе, из которо­го этот актиномицет был выделен, после падения численности он

дает резким подъем и затем ста- ig n билизируется на очень высо- ₉ ком уровне 10⁷, а в кислом красноземе он погибает. ⁸

В ризосфере пшеницы ₇ одни бактерии быстро поги­бают, другие успешно размно- ⁶ жаются (рис. 107). 5

7 14

Рис. 106. Динамика популяций Str. olivocinereus в различных типах почв

Рис. 107. Динамика популяций Curtobac- terium (/), Mycoplana sp. (2) и Pseudo- monas sp. (J) в ризосфере пшеницы

Сутки

Сутки

Популяционная микро­биология в почвах наиболее полно изучена на внесенных штаммах микробов и в пер­вую очередь клубеньковых бактерий (рис. 108). После внесения в почву численность клубеньковых бактерий либо возрастает, либо уменьшает­ся, либо они вообще вымира­ют. Увеличение численности свидетельствует о том, что почва оказалась благоприят­ной средой, и бактерии в ней активно размножаются. Их численность может увеличи­ваться в 10-100 раз. В мало благоприятной почве внесен­ные клубеньковые бактерии сохраняются только в тех микрозонах, которые оказались для них благоприятными и погибают в небла­гоприятных микрозонах. Численность благоприятных зон можно увеличить

Рис. 108. Динамика популяций клубенько­вых бактерий в различных типах почв и в разных условиях: