ПОЧВЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ практика

ТЕМА: ПОЧВЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ

Почвенная микробиология традиционно является областью ин­тересов отечественной микробиологии. Начало ее лежит в трудах С.Н. Виноградского, особенно относящихся ко второму этапу его деятельности, основанному на применении прямых методов. Затем последовали работы ряда исследователей, из которых особенно нужно отметить Н.А. Красильникова, рассматривавшего почвенную микробиологию как синтетическую дисциплину "биология почв" с особенным вниманием к взаимодействию микроорганизмов с корне­вой системой растений, но так же учитывавшего роль грибов, почвенных водорослей, простейших. Однако впоследствии домини­рование получила почвенная бактериология, особенно распростра­нившаяся благодаря работам Е.Н. Мишустина. Почвенные микро­биологи кафедры биологии почв, возглавляемой Д.Г. Звягинцевым, также работали с акцентом на бактериологию в соответствии с за­просами времени. Для работы в области почвенной микробиологии студенты, окончившие биологический факультет, должны ознако­миться прежде всего с химией почвы и только при анализе более крупных объектов переходить к изучению ландшафтов.

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 почво­образовательного процесса: обнаженные грунты, пески, скалы. Для последних удобным обозначением служит "обнаженная кора вывет­ривания", обычно заселенная микробными биопленками. В коре вы­ветривания доминируют элювиальные процессы выноса. Как "биокосное тело" почва отличается от минеральной фазы и грунта обо­гащением органическим веществом. Органическая почва растет из воздуха. В корнеобитаемом слое появляется структура, обусловлен­ная корневой сетью, и меняется гидрологический режим. Растение пересекает две среды обитания и становится мощным транспорт ным 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 гемицеллюло-зы 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)

Целлюлозы Лигниназы, оксидазы Хитиназы

Целлодекстрины

Олигосахариды Фенолы N-глюкозамин

Разложение мохового покрова на поверхности почвы, например в бору-зеленомошнике со сплошным покровом гипновых мхов, вклю­чает стадии:

а) отмирающего белесого мха (очёс) обычно вследст­вие самозатенения и автолиза;

б) торфа, представляющего гумифицированные, не полностью разложенные растительные остатки, со­храняющиеся в анаэробных условиях как на сфагновых болотах;

в) разложения торфа на границе с минеральной почвой.

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.

Совокупная деятельность почвенной биоты оценивается по га­зообмену - выделению углекислоты. Для проведения таких исследо­ваний не требуется специально микробиологических знаний: дается интегральная оценка с употреблением характерного термина "биота". В продукционной части цикл углерода оценивается интегрально во времени по нетто-продукции, т.е. накопленной массе органиче­ского вещества. Деградационную ветвь можно оценивать по разно­сти между первичной продукцией и нетто-продукцией. Прямыми способами являются определение скорости фотосинтеза по погло­щению С0₂, содержание которой в воздухе мало, (а не по выделе­нию 0₂, как в водных системах), и деструкции - по выделению С0₂ -"дыханию почвы".

ПОЧВЕННАЯ БИОЛОГИЯ

Почва как среда обитания организмов представляет гетероген­ную трехфазную систему, включающую почвенный воздух, почвен­ную влагу, минеральные частицы (рис. 7.1). В результате деятельно­сти живых организмов в почве добавляется мертвое органическое вещество - гумус - и живая масса корней и микроорганизмов. Эти компоненты превращают выветрелые и выщелоченные горные породы в почву.

Рис. . Микробиологические аспекты почвоведения

Выщелачивание представляет ключевой процесс воздействия микроорганизмов на горные породы. Но превращение их в почву зависит от накопления не разложенного микроорганизма­ми органического углерода - процесса гумификации, наиболее важ­ного, магистрального пути в почве как экосистеме. Образование гу­муса есть побочный результат незамкнутости цикла углерода в на­земных экосистемах, возникающего на основе дисбаланса между продукционной ветвью фотосинтезирующих наземных организмов, способных выносить фотосинтезирующий аппарат в воздух, в аэротоп (от лишайников и мхов до деревьев и трав) и деградационной ветвью, обусловленной деятельностью микроорганизмов. Наличие газовой фазы отличает почву от донных отложений в бассейнах се­диментации, где происходит, например, образование богатых орга­ническим веществом сланцев.

Почва как среда обитания микроорганизмов в отличие от вод­ных систем имеет ряд характерных особенностей:

путь углерода ведет к образованию резервуара гумуса как стойкого органического вещества,

доминирующей группой являются мицелиальные организмы - грибы и актиномицеты,

продукционная ветвь в толще почвы обусловлена корневой системой растений.

Главным органическим компонентом, поступающим в почву, яв­ляется лигноцеллюлоза. Лигнин вообще не свойственен водным организмам. Несмотря на возможность рассматривать его как основ­ной предшественник гумуса и несомненную роль в его образовании, предположение о прямой последовательности лигнин-гумус явно недостаточно, т.к. гумус образуется и из предшественников, содер­жащих мало лигнина, например в торфяных сфагновых болотах или же при первичном почвообразовательном процессе под лишайника­ми на выветрелых скалах, и содержит довольно много азота. В этих случаях и роль корневой системы отсутствует. Являются ли гумусо­вые вещества продуктом аэробной переработки органических ос­татков грибами или же они образуются и анаэробно в затопленном слое болот из торфа?

Все эти вопросы получают неопределенные ответы, универ­сальное решение отсутствует.

Гетерогенность почвы обусловлена наличием разных по разме­рам частиц и эта иерархия размеров должна постоянно учитывать­ся. Она приведена ниже (по: Paul, Clark, 1989):

Категория	Размеры, мкм	Связывающий компонент	Компоненты
Макроагрегат	>2000		Частицы, макропоры
Микроагрегат (песок)	200	Корни и гифы	Корешки, ги фы,
(разлагаеамя органика)			минераль­ные частицы
Корневые волоски (устой- чивая органика)	20	Растительные и грибные остатки	Гифы, бактерии, глина
Крупные поры (устойчи-	2	Органические	Бактерии, гу-
вая органика)		остатки (гумус)	мус, глинистые минералы
Поры (устойчивая мине-	0,2	Алюмосилика	Глинистые
ральная часть)		ты, окислы, по­лимеры, сорби­рованные на глинах	минералы

Доступным для развития микроорганизмов является поровое пространство почвы порядка микрон, заполненное водой и почвен­ным воздухом. Микроорганизмы занимают менее 0,01 порового пространства. Положение внутри пор до известной степени защища­ет микроорганизмы от хищников. Микропоры менее 0,2 мкм, напри­мер чехол из глинистых минералов, физически защищают органиче­ские вещества от воздействия экзоферментов.

Разные почвы имеют агрегаты разного размера, меняющиеся в зависимости от состояния почвы и, например, ее обработки. Воз­душно сухие агрегаты обычно состоят из агломератов водопрочных агрегатов меньшего размера. Характерный масштаб агрегатов со­ставляет от долей до десятка миллиметров. Формирование агрега­тов происходит при участии микроорганизмов. Оно обусловлено склеивающим действием бактериальных слизей на мелкие мине­ральные компоненты почвы, прежде всего глинистые частицы: Гли­нистые частицы адсорбируют бактерии или при высокой дисперс­ности способны коагулировать бактериальные клетки из коллоид­ных растворов. Агрегаты скрепляются и армируются мицелием микромицетов, оплетающим частицы снаружи. Органические час­тицы и коллоиды гуминовых веществ взаимодействуют с мине­ральными компонентами, создавая органоминеральную структуру агрегатов.

При микроскопическом анализе агрегатов в их центральной части обнаруживаются комки бактерий, а снаружи облекающий войлок мицелия. Бактерии проникают в поровое пространство аг­регата с порами не менее 0,6 мкм, если поры не заняты почвенной влагой. Внутренняя часть агрегата остается влажной, в то время как поверхность подсушивается и находится в равновесном состоя­нии с влагой почвенного воздуха. Агрегат почвы оказывается мес­тообитанием микробного сообщества, созданным при участии вза­имодействующих в нем функционально различных групп микроор­ганизмов.

Распределение влаги в агрегате ведет к тому, что его централь­ная часть оказывается восстановленной из-за медленной диффузии 02 по капиллярам и поглощения 02 в наружном слое аэробными органотрофами. Установление анаэробиоза в центральной части аг­регата зависит от диффузионных процессов и наличия легкодоступ­ного органического вещества. Математические модели агрегата по­казали, что при размерах агрегата 10 мм внутри должна возникать анаэробная зона. Прямые измерения с помощью микроэлектродной техники установили, что анаэробная зона возникает в агрегатах раз­мером 4 мм. Эксперименты по выделению газообразных продуктов обмена микроорганизмов показали, что СН4 может продуцировать­ся при размерах агрегатов менее 2 мм, но его продукция возрастает с увеличением размеров агрегата, Такая же картина наблюдается для N20, продуцируемой факультативными анаэробами денитрификаторами. Напротив, продукция С02 в результате дыхания значи­тельно усиливается с уменьшением размеров агрегатов и увеличени­ем поверхности. Продукция восстановленных газов увеличивается с увеличением влажности, достигая максимума по достижении "капиллярной влагоемкости", а затем падает с появлением водных пробок2.

Почвенный воздух располагается в порах аэрации, образующих либо каналы проводимости, например по сгнившим корням, либо лабиринт между агрегатами, и от этого зависит длина пути газа доатмосферы. Поровое пространство почвы зависит от ее характера и обычно составляет 50-60% объёма, что вместе с растворенным кис­лородом создает резервуар доступного для почвенной биоты окис­лителя, находящийся в динамическом равновесии со слоем атмосфе­ры в растительном покрове (аэротопом).

Скорость диффузии q (г/см2 ■ с) зависит от коэффициента диф­фузии в почве D (см2/с), концентрации С (г/см3), длины пути z (см): q = DdC/dz.

С02 0,161 0,177 8,878

02 0,205 0,180 0,031

N2 0,205 0,164 0,015

Отсюда важнейшим показателем служит аэрация почвы, опре­деляющая переход от аэробиоза к анаэробиозу. Она осуществляет­ся через поры аэрации в основном под действием диффузии, обусло­вленной градиентом концентрации. Достаточно небольшой разницы в парциальном давлении, чтобы кислород двинулся в почву, а угле­кислота стала выходить из нее.

Поры блокируются водой с коэффициентом диффузии в 10 000 раз меньше, чем на воздухе. Частицы почвы размером более 3 мм не имеют кислорода в центральной части. Возможность суще­ствования в них анаэробов зависит, однако, от скорости поглощения кислорода аэробами, а она, в свою очередь, определяется доступным для окисления веществом. В отсутствие дыхания корней (20-40% от общего дыхания почвы) и микроорганизмов (60-80%), например в промерзшей почве, состав почвенного воздуха быстро уравновеши­вается с атмосферным.

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 -€,03 МПа и доступна для роста микробов, ко­гда наблюдается их наибольшая активность. Ниже -1,5 МПа начи­нается за^ядание растений. При -30 МПа организмы сохраняют лишь 10% активности, измеряемой по скорости разложения органи­ческого вещества.

-1,5 -15 0,99 2,0 17 Rhizobium, Nitrosomonas

-10 -100 0,93 12,3 52 Clostridium, Mucor

-25 -250 0,83 25,3 70 Micrococcus, Penicillium

-65 -650 0,62 - 83 Xeromyces

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.

7