Сукцессия микроорганизмов в почве - развитие и выживание популяции

Вся электронная библиотека      Поиск по сайту

 

Почвенные организмы

Новые подходы к изучению сукцессии микроорганизмов в почве

 

жизнь в почве

 

Смотрите также:

 

Почва и почвообразование

 

Почвоведение. Типы почв

почвы

 

Химия почвы

 

Круговорот атомов в природе

 

Книги Докучаева

докучаев

 

Происхождение жизни

 

Геология

геология

Основы геологии

 

Геолог Ферсман

 

Черви и почвообразование

дождевые черви

 

Дождевые черви

 

Вернадский. Биосфера

биосфера

 

Геохимия - химия земли

 

Гидрогеохимия. Химия воды

 

Минералогия

минералы

 

Земледелие. Агрохимия почвы

 

Справочник агронома

 

Удобрения

 

Происхождение растений

растения

 

Ботаника

 

Биология

биология

 

Эволюция биосферы

 

Земледелие

 

растения

 

Тимирязев – Жизнь растения

 

Жизнь зелёного растения

зелёные растения

 

Геоботаника

 

Мхи

 

Водные растения

 

Общая биология

общая биология

 

Лишайники

 

Мейен - Из истории растительных династий

Мейен из истории растительных династий

 

Удобрения для растений

 

Биографии биологов, почвоведов

Биографии почвоведов

 

Эволюция

 

Микробиология

микробиология

 

Пособие по биологии

 

  

Содержание:

 

1.     Сукцессия микроорганизмов в почве

2.     Особенности обеспечивающие развитие и выживание популяции в рассматриваемом местообитании

3.     Сукцессия почвенных грибов

4.     Стадии микробных сукцессий в почве

5.     Дыхание почвенных микроорганизмов

6.     Особенности развития двух групп микроорганизмов, выделенных из чернозема типичного в процессе сукцессии

7.     Метод прямой микроскопии и посева

8.     Литература

 

 

Д. Г. ЗВЯГИНЦЕВ, Г. А. КОЧКИНА, П. А. КОЖЕВИН

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

 

Сукцессия микроорганизмов в почве

 

По-видимому, каждый специалист, изучающий определенную группу микроорганизмов, после их выделения и идентификации в лаборатории пытается сопоставить свой объект с условиями местообитания и даже охарактеризовать микробную систему в целом по одному из составляющих ее блоков. Такой подход вполне закономерен и приносит ценные результаты. При этом, однако, всегда ощутим недостаток, который состоит в том, что механизмы регуляции в естественной микробной системе нельзя представить в виде простой суммы свойств изолированных популяций, составляющих ее. К тому же до настоящего времени многие микроорганизмы вообще не получены в лабораторных культурах.

 

Поэтому модель подобной системы должна иметь общий характер и заранее учитывать возможность поступления новой информации. Наконец, и это, по всей видимости, не менее существенно, следует иметь в виду, что любая микробная система заведомо не статична. Конкретная микробная популяция в определенные промежутки времени может иметь высокий уровень в составе системы, что не обязательно гарантирует ее выделение соответствующими методами на других этапах.

 

Изменение результирующей всех факторов, действующих в местообитании, приводит к «популяциоиным взрывам» или, напротив, к снижению численности конкретных популяций, что воспринимается как возможное проявление сукцессии микроорганизмов. Сукцессии почвенных микроорганизмов можно рассматривать на разных уровнях: как сукцессии основных компонентов комплекса почвенных микроорганизмов — грибов, бактерий, актиномицетов; на уровне популяций, представленных трофическими группами микроорганизмов; внутри одного из компонентов комплекса (например, видовая сукцессия грибов) (Мишустин, Тимофеева, 1944; Мишустин, 1975). Традиционный подход к изучению сукцессий предполагает исследование характера изменения видового состава.

 

В нашей работе вместо этого традиционного подхода, основанного на выделении и идентификации конкретных микроорганизмов, для характеристики микробной системы используются интегральные критерии. Они представляют собой числовые величины, что удобно с точки зрения возможности их быстрого и легкого сравнения и сокращения объема информации о микробной системе до размеров, доступных восприятию. Сведения о комплексе почвенных микроорганизмов получали, изучая динамику отдельных групп микроорганизмов, конкретных микробных популяций и некоторых* показателей их биологической активности. Полученные данные для удобства обсуждения были проанализированы на основе современных концепций общей экологии. В качестве основной концепции нами используется сопряженный анализ сукцессий и экологических стратегий микроорганизмов.

 

Особенности обеспечивающие развитие и выживание популяции в рассматриваемом местообитании

 

Стратегией можно считать свойственный конкретной популяции набор особенностей, обеспечивающих ее развитие и выживание в рассматриваемом местообитании. Обычно выделяют два крайних, экстремальных варианта экологических стратегий: г-стратегия свойственна организмам с высокой скоростью роста, которые имеют больше шансов выжить на ранних, ненасыщенных стадиях колонизации субстратов за счет высокой продуктивности. Напротив, в равновесных ситуациях последних стадий сукцессии преимущество получают организмы с более высокой способностью к выживанию в условиях конкуренции, использующие источники питания с высокой эффективностью (К-стратегия) (Margalef, 1959; Mac Arthur, Wilson, 1967: Southwood, 1976).

 

Сукцессия как упорядоченный процесс развития комплекса микроорганизмов со сменой доминирующих форм во времени может быть вызвана, например, увлажнением сухой почвы или внесением питательных субстратов. Используемые нами 3 варианта воздействий на комплекс микроорганизмов в черноземе типичном (увлажнение без внесения субстрата и с раздельным внесением целлюлозы и глюкозы), в сущности,— модели наиболее типичных воздействий в реальных местообитаниях.

 

Для получения исходных эмпирических данных использовался набор разных методов. Несмотря на внесение в почву при температуре 18—20° С различных органических веществ (целлюлозы и глюкозы в количестве 1% от веса почвы), численность бактерий, по данным люминесцентной микроскопии, менялась незначительно ( 1, а). Достоверное увеличение их численности регистрируется на 2- и 16-е сутки при внесении глюкозы и к 35-м суткам — в остальных вариантах. Однако во всех случаях уровень развития превышает исходный не более чем в 2 раза. Сходная картина динамики численности бактерий, по данным прямого метода, отмечалась и другими исследователями (Nannipieri et al., 1978; Paul, Jonson, 1977).

 

Между тем численность бактерий на МПА в вариантах с целлюлозой и простым увлажнением возрастает за первые 2—7 суток в 3—4 раза. В варианте с внесением глюкозы происходит 20-кратное возрастание. Затем количество бактерий постепенно понижается во всех вариантах ( 1, б). Если рассматривать последствия конкретного воздействия на почву, то полученные результаты подтверждают вывод о более низкой чувствительности прямого метода по сравнению с посевом. Поскольку показатели прироста численности по прямому методу гораздо ниже, чем по посеву, некоторые авторы ограничиваются традиционным обозначением выявленных при микроскопии и посеве микроорганизмов как автохтонной и зимогенной микрофлор соответственно (Lund, Goksyr, 1980). Такая трактовка является слишком общей и не лишена противоречий.

 

Количественное несовпадение данных обоих методов связано с тем, что микроскопический метод и метод посева несут различную информацию. П. А. Кожевин и Д. Г. Звягинцев (1980) для более наглядного представления различий между показателями численности по данным микроскопии и посева предложили следующую формулу:

М1+Л/0=Я1+Я2+Яз+Я4+Я5...,

где Mi — численность бактерий, учитываемых прямым методом* М0 — число частиц, которые могут быть учтены как клетки при люминесцентной микроскопии; Ih — бактерии, которые могут расти на используемой среде (в нашем случае — МГ1А); П2 — бактерии, которые имеют иные пищевые потребности или другие требования к условиям культивирования и не могут быть учтены на данной*среде; J73 — медленнорастущие и не учитываемые по этой причине бактерии; /74 — бактерии, которые могут развиваться на используемой питательной среде, но не выявляются из-за различных стрессов в естественных местообитаниях; II5 — мертвые клетки, которые учитываются только при микроскопии: надежно дифференцировать живые и мертвые клетки в этом случае пока ие удается.

 

Анализ соотношения между данными микроскопии и посева K=(Mi+M0)/Ill позволяет предположить, что посев дает преимущественно информацию о микроорганизмах с относительной г-страте- гией. Об этом свидетельствует высокий темп размножения бактерий по посеву при добавлении в почву легкодоступной глюкозы. Более инертное поведение микроорганизмов, наблюдаемых при прямой микроскопии, связано с тем, что прямой метод дает сведения и об организмах с К-стратегией. Коэффициент К будет возрастать, если будут расти компоненты Я2, Я3, Я4, /75. Нарастание всех указанных свойств характерно для зрелых экосистем (Одум, 1975). Следовательно, высокое значение К должно характеризовать поздние этапы микробной сукцессии, где преобладают микроорганизмы с К-стратегией.

 

Низкое значение К указывает на увеличение доли быстрорастущих микроорганизмов, активно потребляющих питательный субстрат (г-стратегов), что характерно для начальных этапов сукцессии, для так называемых молодых экосистем (Кожевин, Звягинцев, 1980; Кожевин и др., 1980). Данные по изменению коэффициента К в условиях нашего эксперимента представлены на  1, в. Полученные кривые в полной мере подтверждают предположение о возможности применения соотношения прямой микроскопии и посева для индикации стадий микробных сукцессий. Уже на 7-е сутки после внесения глюкозы К резко изменяется, при этом показатели численности по данным микроскопии и посева различаются не более чем в 10—15 раз для варианта с внесением глюкозы (время генерации на МПА примерно 30 ч), а для почвы с внесением целлюлозы и для контроля — в 50—60 раз при первоначальном различии в 220 раз. Показатель К постепенно возрастает, что указывает на изменение структуры сообщества — прохождение сукцессии, причем возрастание более выражено для вариантов с целлюлозой и с простым увлажнением почвы. Внесение полимера, мономера и даже простое увлажнение привели к «омолаживанию» комплекса почвенных микроорганизмов, наиболее существенному в варианте с внесением глюкозы.

 

Для анализа вопроса о более медленном возрастании коэффициента К в варианте с глюкозой на поздних этапах опыта исследовалось отношение количества споровых бактерий к общему числу бактерий, вырастающему при посеве на МПА. Выяснилось, что здесь очень высок процент спорообразующих бактерий, а их доминирование наиболее проявляется после первого месяца культивирования с глюкозой. Если бактериальные эндоспоры не причислять к микроорганизмам с r-стратегией, то при вычислении коэффициента К можно ввести поправку. В знаменателе приведенного выше соотношения данных прямого метода и посева из необходимо вычесть сумму спор. Измененный показатель Ки представлен на  2, а. Видно, что в варианте с целлюлозой, где количество спор составляло около 30% и практически не изменялось в течение опыта, Ки менялся не сильно. Иная картина наблюдается в случае внесения глюкозы, где после 35 суток начинается резкое возрастание Ки, которое можно объяснить, учитывая, что первоначальное внесение глюкозы повлекло за собой сильное увеличение общего количества бактерий (при посеве на чашки), в том числе и споровых. Затем в ходе сукцессии количество неспорообразующих микроорганизмов уменьшается, а спорооб- разующие сохраняются длительное время в виде спор и их относительное количество возрастает к концу опыта, что является само по себе следствием активного размножения микроорганизмов. Поэтому информация о внесении глюкозы отражается в показателе К даже спустя 80 суток от начала исследования.

 

Следовательно, отношение числа бактерий по данным прямого метода к таковому по посеву (коэффициент К) — ценный количественный показатель, по которому можно составить общее представление о стадии микробной сукцессии в почве и охарактеризовать микробную систему в целом.

 

Интересно, что в литературе появляются сведения о применении некоторыми авторами соотношений данных разных методов для характеристики изменений, происходящих в почве при внесении ряда питательных веществ. Так, сообщалось, что при внесении в почву глюкозы отношение общего углерода микроорганизмов к АТФ менялось от 313 до 49 через 30 ч после внесения и затем, через две недели, возрастало до 82 (Nannipieri et al., 1978). Уменьшение этого отношения говорит об интенсификации жизнедеятельности микроорганизмов после внесения глюкозы. Хотя авторы не утверждают этого, но данный показатель также мог бы характеризовать стадии микробных сукцессий в почве. Однако чрезвычайно трудоемкие методы определения ограничивают его применение. Этого недостатка полностью лишено экспериментальное вычисление коэффициента К.

 

Показатель К пригоден также при сравнепии микробных сообществ, складывающихся в различных горизонтах почвенного профиля. Отношение К, изменяющееся от подстилки до верхних почвенных горизонтов от 15 до 215—260, растет в нижних горизонтах до 1000— 1300 (Babjuk, Paul, 1970; Лимарь и др., 1975). Наши собственные результаты по изучению динамики К в разных горизонтах чернозема типичного (Адерн и АВ) представлены на  2, б. Они убеждают, что микрофлора горизонта Адерн с самого начала — более «молодая» по сравнению с горизонтом АВ. Это вполне естественно, поскольку именно в верхние горизонты поступает растительный опад и темп размножения микроорганизмов здесь значительно выше по сравнению с нижележащими горизонтами, что выражается в закономерном увеличении значения К вниз по профилю. Другими словами, в верхних горизонтах почвенного профиля как бы поддерживаются стадии сукцессии, близкие по основным параметрам к «молодым» системам, а внизу профиля существуют более «зрелые» микробные сообщества. Таким образом, традиционное в почвенной микробиологии отношение данных прямой микроскопии к данным посева, используемое ранее лишь для дискредитации метода посева, оказалось применимым для индикации сукцессионных изменений комплекса почвенных микроорганизмов.

 

В варианте с внесением целлюлозы, характеризующимся более высокими К, сразу же отмечается вспышка целлюлозоразлагающих бадтерий, которые остаются на высоком уровне вплоть до 35-х суток ( 3, а).

 

Среди анаэробной части комплекса почвенных бактерий изучали сульфатредукторы методом предельных разведений на среде Вино- градского и анаэробные целлюлозоразлагающие бактерии, которые ( 3, б, в) культивировали в микроанаэростатах на среде с целлюлозой. Внесение глюкозы не способствует активному росту сульфат- редуцирующих бактерий. Напротив, внесение полимера — целлюлозы — создает условия для достижения наибольшей численности этих бактерий, что и наблюдается на поздних этапах опыта. Максимум сульфатредукторов сопряжен с максимумом целлюлозоразлагающих анаэробов и приходится на 35-е сутки.

 

Всем максимумам развития микроорганизмов в анаэробной зоне предшествует накопление в почве летучих жирных кислот (ЛЖК), концентрация которых достигает наибольшей величины на 16-е сутки для варианта с глюкозой и особенно для варианта с целлюлозой ( 4). ЛЖК, являясь в существенной степени продуктом жизнедеятельности микроорганизмов анаэробной зоны, могут быть субстратами для последующих групп в сукцессионной цепи анаэробных бактерий.

 

Сукцессия почвенных грибов

 

Существенно, что развитие и активность микроорганизмов анаэробной зоны подтверждают данные, отраженные в показателе К, о росте на поздних этапах опыта не учитываемой на МПА части комплекса почвенных микроорганизмов.

 

При изучении сукцессии почвенных грибов также была сделана попытка отказаться от традиционного описания изменений видового состава микромицетов и был предпринят поиск интегральных количественных критериев.

 

На графике динамики численности грибов по данным прямого метода ( 5, а) необходимо отметить существенное (в 5 раз) возрастание длины мицелия в течение первой недели после внесения в почву глюкозы. В остальных вариантах наблюдается полутора-двух- кратное увеличение длины мицелия.

 

Возрастание количества колоний по посеву ( 5, б) наступает либо сразу (со 2-х суток), либо после некоторого небольшого снижения показателя численности, которое можно объяснить тем, что в исследованном образце до его увлажнения и внесения веществ, грибы, видимо, находились в виде спор. В результате прорастания спор после внесения питательных веществ снижается устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов, что может приводить к уменьшению суммарной численности спор и живых гиф, определяемых методом посева. Так или иначе возрастание численности грибов, по данным обоих методов, после внесения веществ и влаги свидетельствует об «омолаживании» грибной компоненты комплекса почвенных микроорганизмов.

 

Чем выше возрастает численность грибов по посеву после внесения питательных веществ, тем медленнее происходит или совсем не происходит ее снижение на поздних этапах опыта. При резком уменьшении длины мицелия грибов по прямому методу это может свидетельствовать о начале процесса массового спорообразования, приуроченного к более поздним стадиям микробных сукцессий.

 

Таким образом, одному и тому же количеству колоний по методу посева могут соответствовать совершенно различные «состояния» комплекса почвенных грибов, а сам по себе метод посева еще недостаточно характеризует их сукцессию. Точно так же, определяя динамику длины мицелия по прямому микроскопическому методу, начиная с 25-х суток невозможно зарегистрировать никаких различий между тремя исследуемыми вариантами. Более продуктивным здесь, как и в случае с бактериями, оказывается нахождение отношения численностей, определенных прямым методом и методом посева (коэффициент Z).

 

При прямом микроскопировании почвенной суспензии учитывается число обрывков мицелия и их длина, причем этот метод не дает возможности дифференцировать живые и мертвые гифы. Методом посева на среде Чапека с сахарозой учитывается число грибных зачат-

 

Поскольку данный коэффициент отражает отношение разных составляющих комплекса почвенных грибов, естественно предположить, что он может использоваться для характеристики стадий грибной сукцессии в почве ( 5, в). Возрастание Z в первые сутки характеризует «омолаживание» комплекса почвенных грибов и, видимо, связано с резким уменьшением числа спор. Причем менее резкое возрастание Z в начальный период в варианте с глюкозой связано с тем, что основное число проросших спор принадлежит сахаро- литическим грибам и представителей с иными пищевыми потребностями и мертвого мицелия довольно мало. Это является следствием наиболее активного «омолаживания» комплекса микроорганизмов в варианте с глюкозой. Вторая фаза развития комплекса грибов наблюдается, начиная с 16-х суток, когда регистрируется уменьшение коэффициента Z, связанное с процессом образования спор. Более существенное падение Z в варианте с глюкозой является результатом более массового спорообразования после обильного образования мицелия.

 

Разумеется, приведенные рассуждения о причинах изменения показателя Z являются ориентировочными. Однако важно, что подобное сопоставление данных двух методов способствует получению дополнительной информации и позволяет выделить стадии в ходе грибной сукцессии в почве.

 

Далее необходимо обратиться к динамике целлюлозоразлагающих грибов ( 6), которые наряду с бактериями принимают активное участие в процессе разложения целлюлозы в почве (Skinner, Mellem, 1944; Мирчинк, 1976). Учет их проводили на среде с целлюлозой и стрептомицином для подавления бактерий. Число грибов начинает нарастать с первых же суток и достигает максимума к 16— 35-м суткам. Затем численность грибов падает, причем здесь, как и при изучении динамики грибов на среде Чапека с 3% сахарозы, более медленное падение соответствует варианту с более максимальной численностью (вариант с внесением целлюлозы).

 

Стадии микробных сукцессий в почве

 

Для понимания стратегий микроорганизмов и для установления стадий микробных сукцессий в почве определенную ценность имеют параметры кинетики роста бактерий и грибов.

 

В литературе существуют указания, что грибы с высокой скоростью роста являются типичными первичными колонизаторами новых субстратов (Domsch, 1960). Но детально, с привлечением конкретных показателей этот вопрос не обсуждался. Для бактерий методика определения обычных параметров кинетики их роста (pi, Xs) достаточно отработана (Перт, 1978). Гораздо сложнее обстоит дело с ми- целиальными микроорганизмами, рост которых происходит в жидкой среде в виде комочков мицелия, что позволяет определять \i и К$ лишь трудоемкими и не слишком точными косвенными методами (Marshall, Alexander, 1960). В связи с этим было предложено определять параметры кинетики роста грибов на твердой среде. Этот способ привлекает еще и тем, что рост на твердых средах (формирование колоний) типичен для микроорганизмов в их естественной среде обитания (Звягинцев, 1973; Звягинцев и др., 1976), а в настоящее время предполагается возможность изменения параметров роста микроорганизмов при переходе из свободного в адсорбированное состояние (Trinci, 1970; Hattori, 1972,1976; Hattori Т., HattoriR., 1976).

 

Грибная колония после очень непродолжительного промежутка экспоненциального роста переходит к линейному росту (Promley, 1959; Trinci, 1974), который осуществляется за счет активной зоны, расположенной, аналогично индивидуальной гифе, на периферии колонии (Егунов, 1915; Pirt, 1967; Trinci, Saunders, 1977). Пэрт (Pirt, 1967) предложил модель для количественной характеристики роста колоний, выделив в их строении две зоны: центральную и периферическую w. Рост идет за счет краевой зоны, так, что колония увеличивается в длину с постоянной скоростью

 

Таким образом, Кт пропорциональна р, и, определяя Кг, можно в первом приближении судить об удельной скорости роста микроорганизмов, а в случае постоянства w и определять константу насыщения Ks, пользуясь графическим методом Лаинуивера — Берка (Pirt, 1973; Fiddy, Trinci, 1975). Для определения Ks таким способом необходима оценка постоянства ширины зоны w (Trinci, 1974; Bain- bridge, 1976; Кожевина, 1977).

 

До сих пор нет ясности, в каких случаях целесообразно применять показатели кинетики роста для понимания экологии микроорганизмов. К тому же очевиден дефицит достаточно надежных сведений. В нашей работе исследовались некоторые количественные характеристики роста грибов на твердой среде в зависимости от концентрации глюкозы. Объектами исследования были микроорганизмы с заведомо различными экологическими свойствами: Mortierella ramanniana и Mucor circinelloides. Последний встречается на начальных стадиях разложения подстилки и преобладает в почвах с высоким содержанием органического вещества (Романкова, 1954). Mort. ramanniana обычно выделяется в конце разложения подстилки и из почвенных образцов. В частности, этот микроорганизм обнаружен в наиболее северных почвах, находящихся в целинном состоянии, и имеет приуроченность к хвойным породам (Jensen, 1931; Ха- лабуда, Жданова, 1957; Халабуда, 1973).

 

Результаты исследования зависимости радиальной скорости роста этих двух грибов от концентрации глюкозы в среде приведены ниже. Максимальная радиальная скорость роста у М. circinelloides наблюдалась при 10%, а для Mort. ramanniana — при 0,005% глюкозы в среде, т. е. в разных концах выбранного диапазона концентраций субстрата. Кт для последнего микроорганизма (0,054 мм/ч) на порядок ниже, чем у активного сахаролитического гриба М. circinelloides (0,530 мм/ч). Далее, определив экспериментально ширину растущих зон колоний грибов, мы выяснили, что их значения варьируют для М. circinelloides от 1330 до 2600 мкм, а у Mort. ramanniana — от 980 до 1280 мкм при увеличении концентрации глюкозы в среде на три порядка. Поскольку вариация ширины растущей зоны для Mort. ramanniana не столь значительна, оказалось возможным вычислить константу насыщения Ks для данного микроорганизма по методу Лаинуивера—Берна. Ее значение составило 0,015 г глюкозы на 1 л среды.

 

Таким образом, показатели скорости роста, определенные для М. circinelloides и Mort. ramanniana, удовлетворительно согласуются со свойствами, проявляемыми этими микроорганизмами в природе. Более того, резкие различия их экологических свойств и в особенности место грибов в сукцессии стали более понятны и объяснимы именно благодаря определению показателей их роста на питательных субстратах. Все это приводит к мысли, что интегральный показатель радиальной скорости роста комплекса почвенных грибов, выделяющихся на разных этапах сукцессии после внесения в почву органических веществ, также может служить индикатором стадий сукцессии.

 

Результаты изучения динамики показателя Кт для сахаролитических (среда Чапека с 3% сахара) и целлюлозоразлагающих грибов представлены на  7, я, б. Внесение глюкозы в почву вызывает сильное (в 4—5 раз) увеличение Кт сахаролитических грибов. Внесение целлюлозы несколько ингибирует скорости роста данной группы, но позволяет увеличить (в 2—3 раза) скорости роста целлюлозо- разлагающим грибам, что согласуется с мнением об активном участии этой популяции в разложении целлюлозы сразу же с первых моментов ее попадания в почву (Tribe, 1960; Johnston, 1962). Однако Кт целлюлозолитиков все-таки значительно ниже, чем у группы сахаролитических грибов. В ходе сукцессии происходит истощение питательных субстратов и активизация развития иных группировок, что ведет к относительному снижению роли двух упомянутых групп грибов и понижает их среднюю радиальную скорость роста.

 

Следовательно, Кт является параметром, весьма чувствительным к вариации условий среды, и характеризует изменение комплекса почвенных грибов во времени, являясь еще одним принципиальным индикатором стадий микробных сукцессий в почве.

 

Дыхание почвенных микроорганизмов

 

Данные по динамике грибной и бактериальной популяций дополняют сведения по дыханию почвенных микроорганизмов, представленные на  8. Максимумы дыхания приурочены к 1—2-м и 16— 25-м суткам после внесения органических веществ (в контроле изменения дыхания почвенных микроорганизмов отсутствуют). Первый пик, наиболее мощный при внесении глюкозы, несколько предшествует возрастанию общей численности бактерий и грибов, а также их активно растущих группировок, и, по-видимому, связан с их развитием. Второй, более сглаженный пик, сопряжен с повторным возрастанием общей численности бактерий, которое наблюдалось на 16-е сутки после внесения глюкозы и на 35-е сутки после внесения целлюлозы.

Полученные результаты можно обобщить. К, Кт, Z — важные количественные критерии, которые позволили зарегистрировать сук- цессионные изменения в комплексе почвенных микроорганизмов в связи с внесением в почву органических веществ. С помощью этих показателей и анализа поведения ряда группировок оказалось возможным показать, что после внесения разных органических веществ в одной и той же почве могут складываться сообщества разной степени зрелости. Внесение глюкозы не просто «омолаживает» комплекс почвенных микроорганизмов, но создает более «молодую» стадию микробной сукцессии по сравнению с внесением целлюлозы.

 

Рассмотрим группировки и характерные показатели, отраженные в табл. 1. Видно, что первая группа (I) резко отличается от группы (id по приведенным показателям (табл. 2.) Дополняют это сравнение данные по максимальным показателям скоростей роста двух групп бактерий и грибов, приведенные в табл. 3. Из приведенных сопоставлений видно, что группа I в большей мере обладает признаками относительной r-стратегии. Ей свойственны высокие показатели удельной скорости роста, приуроченность максимума развития к начальным этапам (отсутствие фазы задержки роста), широкая амплитуда колебаний численности, которая может свидетельствовать о быстром возрастании «емкости среды» в условиях «экологического вакуума». Приуроченность максимума численности рассматриваемых группировок к одному промежутку времени может означать отсутствие конкуренции между ними. Эти организмы характеризует также активная колонизация легкодоступного субстрата и легкость культивирования на питательных средах в лаборатории. Микроорганизмы II группы (табл. 3) проявляют свойства, присущие организмам с /^-стратегией.

 

Показатели К, Kr, Z, так же как и преимущественное развитие r-стратегов, указывают на то, что внесение глюкозы сразу же создает более «молодую» стадию сукцессии в почве по сравнению с целлюлозой (если проводить сравнение комплексов почвенных микроорганизмов в начальные моменты времени после внесения веществ). Она способствует развитию органического числа преобладающих групп, которые создают наибольшую биомассу. Внесение в почву целлюлозы способствует развитию биохимически более разнообразного сообщества.

 

Экспериментально показано, что указанные количественные критерии могут использоваться в качестве индикаторов состояния микробной системы или этапов сукцессии. Например, изменения значений показателей К во времени не совпадают для сукцессий после внесения глюкозы и целлюлозы. Вместе с тем наблюдаемая общая картина в обоих вариантах в полной мере согласуется с предполагаемой зависимостью этих индикаторов от времени. Более низкие значения К регистрируются на первых этапах, когда система относительно упрощена и идет r-отбор с высоким темпом размножения, о чем в частности, свидетельствует высокое значение Кг. Затем наблюдается увеличение К в результате усложнения системы с подключением других популяций. При этом снижается скорость размножения и соответственно убывает показатель Кг. Тот факт, что при полном согласовании с теоретическими положениями, используемые индикаторы в вариантах с мономером и полимером численно различаются, служит указанием на их достаточно высокую чувствительность. Таким образом, появляется реальная возможность целенаправленного создания в почве определенного «состояния» микробной системы, поскольку наличие или отсутствие требуемых характеристик контролируется по индикатору.

 

Уверенность в возможности проведения интегральной количественной оценки системы с помощью индикаторов позволила осуществить переход к изучению ситуаций, наиболее и наименее благоприятных для внесенных в нестерильную почву конкретных бактериальных популяций.

 

В качестве объектов исследования были избраны популяции Rhizobium leguminosarum (штамм ZK) и Arthrobacter crystallopoie- tes (штамм ВКМ-655). Артробактер традиционно рассматривается как наиболее типичный почвенный микроорганизм (Mulder, 1964), но особенности его экологии до сих пор окончательно не ясны. Попытки определить его место в почвенной микробной системе по ряду признаков, выявленных в лаборатории, необходимы, но явно недостаточны. Таких характеристик изучено много и постоянно прибавляется новая информация (Clark, 1967; Ensing, Wolfe, 1964; Boulen, Ensing, 1970a, b; Boulen, 1973; Барышникова и др. 1980; Chapman, Gray, 1981). Однако, какие характеристики в действительности определяют сохранение данной популяции в естественном местообитании, остается не ясным.

 

Выявление и направленное изучение таких ключевых экологических особенностей должно строиться на основе популяционной динамики in situ.

Относительно клубеньковых бактерий долгое время господствовала теория о возможности их существования лишь в тесной связи с растением и быстрой гибели в почве (Стейниер и др., 1979). Однако в настоящее время экспериментально установлена стабилизация численности клубеньковых бактерий в нестерильных почвах без растений (Звягинцев, Кожевин, 1974; Schmidt, 1973, 1978).

 

Наши исследования показывают, что как для популяции артро- бактера, так и для клубеньковых бактерий в нестерильной почве выполняется критерий приспособленности микроорганизма к обитанию в почве lim N 0.

 

Следующий шаг состоял в выявлении возможных различий в динамике рассматриваемых популяций в почве и поиске соответствия экологической стратегии конкретной популяции «состоянию» комплекса почвенных микроорганизмов. Для решения этой задачи приходилось не только создавать разные этапы микробных сукцессий в почве, но и использовать количественные характеристики для контроля этапов, т. е. знать «расписание событий» в почве после определенных внешних воздействий. Именно для этих целей в качестве индикаторов непосредственно использовались показатели К, Кг и Z.

 

С одной стороны, поведение двух указанных популяций изучали при внесении их в разные моменты сукцессий, инициированных предварительным внесением веществ и влаги. Предполагалось, что динамика численности исследуемых популяций после раздельного их внесения на разных этапах (0, 2-, 7-, 25-е сутки) всех трех вариантов сукцессий (полимер, мономер, контроль) будет зависеть от соответствия конкретной популяционной стратегии суммарному изменению условий в основной массе почвенных мпкрозон. С другой стороны, динамику популяций Rh. leguminosarum и A. crys- tallopoietes изучали при внесении в чернозем на разных уровнях популяционной плотности в присутствии целлюлозы, глюкозы и при простом увлажнении.

 

ТАБЛИЦА 2

Особенности развития двух групп микроорганизмов, выделенных из чернозема типичного в процессе сукцессии

 

Признак

II группа

 

 

1. Размах варьирования численности

2.         Отношение размахов варьирования численности при внесении простых и сложных веществ

3.         Субстрат, при котором достигается максимум численности группы

4.         Соотношение максимумов численности, достигаемых при внесении простого и сложного веществ

5.         Временная приуроченность максимума

Более высокий при внесении в почву глюкозы абсолютный размах варьирования более высокий

Более высокоэ 2,1-ь7,7

Простое, легкодоступное вещество (глюкоза)

Более высокое 2,5ч-6,5

При внесении глюкозы — начальные этапы, при внесении целлюлозы — более поздние этапы

Более высокий при внесении в почву целлюлозы;

абсолютный размах варьирования более низкий

Более низкое 0,4-5-0,54

Полимер (целлюлоза)

Более низкое 0,47-~0,63

Поздние этапы после внесения глюкозы и целлюлозы

 

Метод прямой микроскопии и посева

 

При «омолаживании» комплекса микроорганизмов, вызываемом внесением органических веществ, A. crystallopoietes не реализует свою потенциальную способность к быстрому размножению. Основной тенденцией его популяционной динамики является стремление к поддержанию определенного уровня численности. Единственный вариант, где наблюдается кратковременное повышение численности популяции с высокого уровня внесения, это условия «зрелой» системы, 16-е сутки после внесения целлюлозы. Вся совокупность свойств этого организма свидетельствует о выраженной К-стратегии. Скорость роста не играет решающей роли для его выживания. Напротив, клубеньковые бактерии проявили совсем иные свойства при изучении их в типичном черноземе. Они близки к организмам с r-стратегией. Это выразилось, в частности, в их способности к заметному размножению после внесения дополнительных субстратов. Вместе с тем наиболее благоприятным для стабилизации клубеньковых бактерий на более высоком уровне спустя два месяца после внесения оказывается вариант с добавлением целлюлозы. Поскольку клубеньковые бактерии в отличие от артробактера не способны к самостоятельному росту на целлюлозе (Кочкина и др., 1981), полученные результаты подчеркивают значимость метабиоза между ними и почвенными гидролитиками. Метабиоз с почвенными микроорганизмами можно считать, как и предполагалось (Кожевин, 1976), одним из основных положительных факторов, регулирующих численность клубеньковых бактерий и способствующих их сохранению в естественных местообитаниях. Относительно механизмов, понижающих численность популяции (паразитизм, хищничество, антибиоз и т. д.), нужно заметить, что в изученной пнэчве они не эффективны для артробактера при более низкой иопуляционной плотности, чем для клубеньковых бактерий.

 

Из всего сказанного следует, что артробактер и клубеньковые бактерии не являются «экологическими изотопами», проявляя друг относительно друга признаки К- и r-стратегии соответственно. Поэтому мы вправе ожидать, что эти микроорганизмы будут занимать различное место в сукцессии микроорганизмов в природе. Заметим, что в рамках микробной системы обе рассматриваемые популяции на основании изучения их свойств попадают в группу микрофлоры рассеяния I (Заварзин, 1970, 1976). Однако, исходя из признаков г- и К-стратегии, при более детальном подходе оказывается возможна дифференциация в рамках одного блока системы. Действительно, клубеньковые бактерии даже при внесении их в почву на высоком уровне доминируют на начальных этапах сукцессии наравне с другими г-стратегами, представителями которых в почве можно считать сахаролитические грибы (Pugh, 1980) и некоторые виды бактерий рода Pseudomonas.

 

Далее по мере сукцессии в почве увеличивается число разлагающих полимеры, медленно растущих микроорганизмов, а следовательно, нарастает количество К-стратегов. Артробактер может функционировать на поздних этапах сукцессий за счет медленного разложения полимеров.

 

Таким образом, в результате применения указанных подходов к изучению комплекса почвенных микроорганизмов удалось ввести количественные характеристики микробных сукцессий в почве; установить расписание и характер сукцессионных событий с выявлением стратегий микроорганизмов, доминирующих на отдельных стадиях; выявить наиболее благоприятные этапы для развития конкретных популяций. Это позволяет как прогнозировать ход микробных сукцессий в определенных местообитаниях, так и управлять ими.

 

Выводы

 

Разработан ряд количественных критериев для характеристики изменений в комплексе почвенных микроорганизмов, с помощью которых можно определять стадии микробных сукцессий в почве.

 

Путем сопоставления данных метода прямой микроскопии и посева удалось выявить количественные критерии сукцессии почвенных бактерий (коэффициент К) и грибов (коэффициент Z). Для характеристики сукцессии грибов предложен также показатель KTi отражающий изменение средней радиальной скорости роста колоний почвенные грибов во времени.

 

На основе предложенных количественных критериев и анализа свойств групп микроорганизмов показано, что внесение глюкозы в почву моделирует более «молодую» по сравнению с целлюлозой стадию сукцессии, способствуя развитию г-стратегов.

 

Впервые в результате анализа микробных сукцессий и динамики микробных популяций показана возможность выявления наиболее благоприятных и наименее благоприятных условий в одной и той же почве для развития различных микроорганизмов.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

Барышникова Л. М., Быковская С. В., Головлев Е. А. Отношение коринеподоб- ных бактерий к концентрации органического вещества.— Микробиология, 1980, т. 49, с. 880-887. Егунов М. А. Законы роста микробных колоний и размножение. Пг., 1915. 60 с. Заварзин Г. А. К понятию микрофлоры рассеяния в кругообороте углерода.—

Журн. общ. биологии, 1970, № 4, с. 386—394. Заварзин Г. А. Экстенсивная микробиология.—Изв. АН СССР. Сер. биол., 1976, № 1, с. 121-135.

Звягинцев Д. Г. Взаимодействие микроорганизмов с твердыми поверхностями.

М.: Изд-во МГУ, 1973. 175 с. Звягинцев Д. Г., Кожевин П. А. Изучение динамики популяции Rhizobium 1е- giminosarum с помощью иммунофлуоресценции.— Микробиология, 1974, т. 43, с. 888—891.

Звягинцев Д. Г., Кожевин П. АМалахов В. В. Экологические проблемы в почвенной микробиологии.—Журн. общ. биологии, 1976, т. 37, с. 691—701. Кожевин П. А. Люминесцентно-микроскопическое изучение комплекса микроорганизмов и отдельных микробных популяций в почве: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М.: МГУ, 1976. 24 с. Кожевин П. А., Звягинцев Д. Г. Проблема оценки численности почвенных микроорганизмов.— Докл. АН СССР, 1980, т. 250, с. 461—463. Кожевин П. А., Кочкина Г. А., Ягодина Т. Г., Звягинцев Д. Г. О критериях

микробной сукцессии в почве.— Микробиология, 1980, т. 49, с. 335—341. Кожевина Л. С. Особенности роста и развития актиномицетов — продуцентов гелиомицина в связи с антибиотикообразованием: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М.: МГУ, 1977. 24 с. Кочкина Г. АКожевин П. А., Звягинцев Д. Г. Метабиотические взаимодействия, способствующие выживанию клубеньковых бактерий в почве.— Микробиология, 1981, т. 50, с. 903—906. Лимаръ Т. Е., Кожевин П. А., Звягинцев Д. Г. Сравнение количества микроорганизмов в почвах разных типов, выявленного с помощью чашечного метода и люминесцентной микроскопии.— Науч. докл. высш. шк. Биол. науки, 1975, № 9, с. 134—138.

Мирчинк Т. Г. Почвенная микология. М.: Изд-во МГУ, 1976. 206 с.

Мишустин Е. Н., Тимофеева А. Г. Смена микрофлоры в процессе разложения органических остатков в связи с развитР1ем в почве Bacillus mycoides (Flugge).—Микробиология, 1944, т. 13, с. 272—283.

Мишустин Е. II. Ассоциации почвенных микроорганизмов. М.: Наука, 1975. 106 с.

Одум Г. Основы экологии. М.: Мир, 1975. 740 с.

Перт С. Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. М.: Мир, 1978. 326 с.

Романкова А. Г. О микрофлоре подзолистых почв различных географических районов СССР.— Вестн. ЛГУ. Биология, 1954, № 1, с. 37—42.

Стейниер Р., Эдельберг ЭИнгрем Дою. Мир микробов. М.: Мир, 1979. Т. 3. 484 с.

Халабуда Т. В. Грибы рода Mortierella Goemans. М.: Наука, 1973. 208 с.

Халабуда Т. В., Жданова Н. И. О видах рода Mortierella в почвах суборей в окрестностях города Киева.— Ботан. журн. АН УРСР, 1957, т. 14, № 1, с. 60— 68.

Babjuk L. A., Paul Е. A. The use fluorescence an isothiocyanate in the determination of the bacterial biomass of grassland soil.— Canad. J. Microbiol., 1970, vol. 16, p. 57—62.

Bainbridge B. Estimation of the generation time and peripheral growth zone of Aspergillus nidulans and Alternaria solani hyphal from radial growth rates and ranges in apical cell length.— J. Gen. Microbiol., 1976, vol. 97, p. 125—127.

Boulen C. W. Survival of Arthrobacter crystallopoietes during prolonged periods of extreme desiccation.— J. Bacteriol., 1973, vol. 113, p. 33—37.

Boulen C. W., Ensign J. G. Long-term starvation survival of rod and spherical cells of Arthrobacter crystallopoietes.— J. Bacteriol., 1970a, vol. 103, p. 569—577.

Boulen C. W., Ensign J. G. Intracellular substrates for endogenous metabolism during long-term starvation of rod and spherical cells of Arthrobacter crystallopoietes.— J. Bacteriol., 1970b, vol. 103, p. 578—587.

Chapman S. /., Gray T. R. G. Endogenous metabolism and macromolecular composition of Arthrobacter globiformis.— Soil Biol, and Biochem., 1981, vol. 13, p. 11—18.

Clark F. E. Bacteria in soil.— In: Soil biology / Ed. A. Burges, F. Raw. L.: Acad, press, 1967, p. 15—49.

Domsch К. H. Das pilzspektrum einer bodenprobe. II. Nachweis physiologischer Merkmale.— Arch. Mikrobiol., 1960, Bd. 35. S. 229—247.

Ensing J. G., Wolfe R. S. Nutritional control of morphogenesis in Arthrobacter crystallopoietes.— J. Bacteriol., 1964, vol. 87, p. 924—932.

Fiddy C., Trinci A. P. J. Kinetics and morfology of glucose-limited cultures of moulds grown in chemostate and on solid media — Arch. Mikrobiol., Berlin, 1975, Bd. 103, S. 191-197.

Hattori G. Growth of E. coli on the surface of anion-exchange resin in continuous flow system.—J. Gen. and Appl. Microbiol., 1972, vol. 18, p. 319—320.

Hattori R. Growth and spore formation of B. subtilus absorbed on an anion-exchange resin.—J. Gen. and Appl. Microbiol., 1976, vol. 22, p. 215—226.

Hattori Т., Hattori R. The physical environment in soil microbiology: an attempt to extend principles of microbiology to soil microorganisms.— CRC Crit. Rev. Microbiol., 1976, N 5, p. 423—461.

Jensen H. K. The fungus flora of the soil — Soil Sci., 1931, vol. 31, N 2, p. 123— 157.

Johnston H. H. The decomposition of cellulose by soil fungi.— Ohio J. Sci., 1962, vol. 62, N 2, p. 108—112.

Lund V.f Goksyr J. Effects of water fluctuations on microbial mass and activity in soil.—Microbiol. Ecol., 1980, vol. 6. p. 115—123.

Mac Arthur R. H., Wilson E. O. The theory of Island biogeography. Princeton: Univ. press, 1967. 203 p.

Margalef R. Mode of evolution of species in relation to their places in ecological succession.— In: Proc. 15th Intern. Congr. Zool. L.: W. Clowes and Sons Inc., 1959, p. 787—789.

Marshall К. C., Alexander M. Growth characteristics of fungi and actinomycetes.— J. Bacteriol., 1960, vol. 80, p. 412—416.

Mulder E. G. Arthrobacter.— In: Principles and application in aquatic microbiology / Ed. H. Heukelekian, N. C. Dondero. N. Y.: J. Wiley and Sons, 1964, p. 254—279.

Nannipieri P., Jonson P. LPaul E. A. Criteria for measurement of microbial growth and activity in soil.— Soil Biol, and Biochem., 1978, vol. 10, p. 223—229.

Paul E. A.f Jonson P. L. Microscopic counting and adenosine 5-triphosphate measurement in determining microbial growth in soils.— Appl. and Environ. Microbiol., 1977, vol. 34, p. 263—269.

Pirt S. J. A kinetic study of the mode of growth of surface colonies of bacteria and fungi — J. Gen. Microbiol., 1967, vol. 47, p. 181—197.

Pirt S. J. Estimation of substrate affinities of filamentous fungi from colony growth rates.— J. Gen. Microbiol., 1973, vol. 75, p. 245—247.

Plomley N. J. B. Formation of the colony in fungus Chaetomiun.—Austral. J. Biol. Sci., 1959, vol. 12, N 1, p. 53—64.

Pugh J. F. Strategies in fungal ecology.—Trans. Brit. Mycol. Soc., 1980, vol. 75, N 1, p. 1—14.

Schmidt E. L. Fluorescent antibody techniques for the study of microbial ecology.— Bull. Ecol. Res. Communs, Stockholm, 1973, vol. 17, p. 67—76.

Schmidt E. L. A ecology of the legume root nodule bacteria.— In: Interactions between non-pathogenic soil microorganisms and plants / Ed. Y. R. Dommerques, S. Y. Krupa. Amsterdam, 1978, p. 269—304.

Skinner С. E., Mellem E. M. Further experiments to determine the organisms responsible for decomposition of cellulose in soils.— Ecology, 1944, vol. 25, p. 360— 365.

Southwood T. R. E. Bionomic strategies and population parameters.— In: Theoretical ecology / Ed. R. M. May. L., 1976, p. 26—48.

Tribe H. T. Decomposition of burred cellulose film with special reference to the ecology of certain soil fungi.— In: The ecology of soil fungi / Ed. D. Parkinson, J. Waid. Liverpool: Univ. press, 1960, p. 246—256.

Trinci A. P. J. Kinetics of the growth of mycelial pellets of Aspergillus nidu- lans.— Arch. Mikrobiol., 1970, Bd. 70, S. 353—367.

Trinci A. P. J. Influence of the width of the peripheral growth zone on the radial growth rate of fungal colonies on solid media.— J. Gen. Microbiol., 1971, vol. 67, p. 325—343.

Trinci A. P. /. A study of the kinetics of hyphal extension and branch initiation of fungal mycelium.— J. Gen. Microbiol., 1974, vol. 81, p. 225—236.

Trinci A. P. /., Saunders P. T. Tip growth of fungal hyphae.— J. Gen. Microbiol., 1977, vol. 103, p. 243—248.

 

Сукцессия микроорганизмов в почве

 

Сукцессия микроорганизмов в почве

 

 

К содержанию книги: Почвенные организмы как компоненты биогеоценоза