ПОЧВЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ практика
.docТЕМА: 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.