 |
|
|
Почвенные организмы |
Олиготрофы как компонент биогеоценоза
|
Смотрите также:
Мейен - Из истории растительных династий
Биографии биологов, почвоведов
|
Л. В. ВАСИЛЬЕВА Институт микробиологии АН СССР, Москва
Круговорот органического вещества в биоценозах
Исследованиями последних лет показано, что в круговороте органического вещества в различных биоценозах большое участие принимают олиготрофные микроорганизмы (Мишустин, 1982), однако в большей степени это показано для водных экосистем (Dow, Lawrence, 1978; Kuznetsov et al., 1979; Hirsch, 1979; Poindexter, 1981a). Общим свойством всех олиготрофов считается рост за счет незначительных концентраций органических веществ,, при которых сапрофитные организмы расти не могут.
Расширенное представление об особенностях модели олиготрофа дается в работах Хирша (Hirsch, 1979) и Пойндекстер (Poindexter, 1981b). Оно основано на примере изучения повсеместно встречающихся бактерий группы Caulobacter (Poindexter, 1981а), а также Hyphomicrobium (Hirsch, 1974), Arthrobacter (Boylen, Ensign, 1970) и Spirillum (Matin, Veldkamp, 1978).
Один из основных признаков, которым должны обладать олиго- трофы по сравнению с сапрофитами, чтобы достичь высокой способности поглощения субстрата,— высокое отношение площади поверхности к объему клетки. Оно будет тем больше, чем меньше радиус клетки при заданной форме. При заданном объеме клетки тот же эффект достигается путем образования клеточной стенкой выростов.
С использованием более совершенных методов исследования к группе олиготрофных бактерий стали относить малоисследованные виды микроорганизмов, занимающие важное место среди так называемых новых форм. К ним относятся простекобактерии (Васильева, 1980; Staley, 1968), морфологическое своеобразие которых связано с наличием у клетки выростов, ограниченных клеточной стенкой, значительно увеличивающих общую поверхность клетки. Диаметр выростов всегда меньше диаметра материнской клетки. Для описания таких выростов предложен термин «простека» (Staley, 1968).
Олиготрофные микроорганизмы
Эта интересная группа олиготрофных микроорганизмов остается еще весьма слабо изученной, ее состав ограничен небольшим числом видов. Среди хорошо известных микроорганизмов, обладающих выростами, к простекобактериям относят бактерии группы Caulobacter — Asticcacaulis, имеющие клеточные стебельки (Poindexter, 1981а), почкующиеся бактерии родов Hyphomicrobium, Hyphomonas, Pedomicrobium, Rhodomicrobium (Hirsch, 1974; Dow, Whittenbury, 1980), которые обладают гифой, а также фототрофные простекобактерии родов Prosthecochloris и Ancalochloris (Горленко, 1968; Горле нко, Лебедева, 1971).
Все известные роды простекобактерий удается разделить на четыре группы (Васильева, 1980): делящиеся простекобактерии (Саи- lobacter, Asticcacaulis, Prostheccobacter, Prosthecomicrobium, Prosthe- cochloris), почкующиеся простекобактерии (Hyphomicrobium, Hypho- monas, Pedomicrobium, Rhodomicrobium, Ancalomicrobium), делящиеся простекобактерии с радиальной симметрией клетки (Stella), почкующиеся простекобактерии с радиальной симметрией клетки (Labrys).
В группе делящихся простекобактерий гетеротрофные бактерии с многочисленными простеками объединены в род Prosthecomicrobi- nm (Staley, 1968). У бактерий этого рода наблюдается значительное варьирование числа и размеров простек. В настоящее время выделяется три вида: P. pneumaticum — длина простек меньше 1,0 мкм, P. enhydrum — меньше 0,5 мкм, P. polyspheroidum — около 0,1 мкм (Васильева, 1980).
Почкующиеся гетеротрофные простекобактерии, имеющие от 2 до 8 простек длиной до 3,0 мкм и размножающиеся с образованием сидячей почки, объединены в род Ancalomicrobium. Описан единственный вид A. adetum (Staley, 1968), выделенный из воды.
Выделение группы делящихся простекобактерий с радиальной симметрией клетки связано с родом Stella — первым прокариотным организмом, имеющим плоскую форму клетки в виде морской звезды (Васильева, 1980).
Другим примером радиальной симметрии у прокариот служит почкующаяся простекобактерия, выделенная нами в род Labrys (от древнегреческого — двойная секира) из-за сходства клеток на одной из стадий размножения с двулезвийным топором «лабрис».
Таким образом, группа гетеротрофных простекобактерий, в частности почвенных, представлена немногочисленными организмами, что связано с недостаточной изученностью распространения этой группы олиготрофных организмов и трудностями их выделения.
Гетеротрофные простекобактерии, отличаясь морфологическим разнообразием, в физиологическом отношении весьма сходны. Все они олиготрофы и относятся к экологической группировке микрофлоры рассеяния. Каждый организм использует ограниченный набор простых органических соединений, включающий моносахара, органические кислоты цикла Кребса и соответствующие им аминокислоты, летучие жирные кислоты (уксусная, масляная), причем все эти соединения используются в чистой лабораторной культуре в низкой концентрации (менее 0,3%). Простекобактерии ауксотрофны по разным факторам роста.
Использование лишь простых органических веществ обусловливает возможность развития простекобактерий в конце трофических цепей разложения углерода, т. е. на заключительных этапах минерализации органического вещества. Поэтому можно ожидать, что оли- готрофные простекобактерии будут наблюдаться больше в системах, где идет энергичный распад органических веществ, и присутствовать в виде единичных клеток там, где он замедлен.
Благодаря особенностям морфологии простекобактерии могут быть хорошими индикаторами почвенных процессов. Простекобактерии легко обнаружить не только с помощью электронного микроскопа, но при достаточном навыке и в фазово-контрастном микроскопе, что является идеальным для целей прямой идентификации этих бактерий в естественных условиях. Основываясь на морфологии клеток (количестве, форме и размере простек), возможно определение прюстеко- бактерий по родам, а в ряде случаев и по видам среди обычной микрофлоры почвы различных биогеоценозов.
Олиготрофные простекобактерии в микрофлоре почвы
Чтобы установить место олиготрофных простекобактерий в микрофлоре почвы, необходимо было выбрать модель, в которой процессы разложения органического вещества шли бы с достаточной интенсивностью, а этапы этого разложения были бы четко разделены по времени. Всем этим требованиям отвечает такыровидная почва, особенностью которой является низкое содержание органического углерода, что указывает на полную минерализацию внесенного органического вещества. Внесение органического углерода вызывает резкую биологическую реакцию, при которой происходит быстрый распад внесенной органики. Опыты с внесением рисовой соломы в такыровидные почвы представили для нас такую модель.
Опыты ставили на двух разновидностях такыровидной почвы, отличающихся по степени засоления и содержанию гумуса. Минеральные удобрения применялись в виде сульфата аммония и суперфосфата. Измельченная солома заделывалась весной из расчета 6,5 т/га. Отбор проб контрольной и удобренной соломой почв по горизонтам проводили с момента закладки опыта раз в месяц. Анализы по определению наличия простекобактерий, их разнообразия проводили в течение всего вегетационного периода. Учет аэробной целлюлозо- разлагающей микрофлоры осуществляли на среде Гетчинсона с бумажным фильтром. Общее количество микроорганизмов учитывали на МПА, спорообразующие бактерии — на MIIA + сусло-агар (1:1). Электронно-микроскопические препараты контрастировали 1 %- ным раствором уранилацетата.
Результаты В процессе разложения соломы в такыровидной (засоленной и сильнозасоленной) почве наблюдается смена микрофлоры, обусловленная специализацией микроорганизмов. Анализ микрофлоры, учитываемой на МПА (см. таблицу), позволяет заключить, что внесение соломы в такыровидные почвы по сравнению с почвой без ее внесения в условиях избыточного увлажнения активизирует деятельность сапрофитных микроорганизмов, обусловленную наличием в соломе доступных источников питания, и в первую очередь углерода. Численность этих организмов в засоленной почве уменьшается при разложении соломы более 60 дней, что не отмечается в сильнозасоленной почве. Стимуляция роста бацилл, наоборот, выявляется спустя 60 и более дней. В качественном составе их резко доминируют Вас. mesentericus и Вас. megaterium.
Особый интерес представляют показатели численности целлюло- зоразлагающей микрофлоры, так как понимание процессов, происходящих при внесении соломы в почву, невозможно без изучения разложения целлюлозы — ее основного компонента. Отмечается увеличение численности аэробных целлюлозоразлагающих микроорганизмов в начальной стадии разложения соломы (фаза прорастания риса, июнь) в сильнозасоленной почве (верхний горизонт). В засоленной почве вспышка количества целлюлозоразлагающих микроорганизмов выявляется по всему профилю и сохраняется постоянно выше контроля, так же как и в сильнозасоленной почве, в течение всего периода вегетации риса (см. таблицу). Следует отметить некоторое подавление численности этих бактерий в фазу кущения (июль). В такы- ровидных почвах основная роль в аэробной деструкции соломы принадлежит бактериям по сравнению с грибами и актиномицетами. Групповой состав микроорганизмов практически сохраняется до конца вегетационного периода, хотя на последней стадии разложения соломы отмечается повышение относительного содержания грибов, особенно в нижних горизонтах профиля (5—10 см, сильнозасоленная почва), и даже их преобладание (засоленная почва).
Анализ результатов, полученных при изучении почвенных простекобактерий, позволил установить временную последовательность в развитии этих форм в зависимости от этапов минерализации продуктов распада соломы в почве.
Ниже показано преимущественное развитие простекобактерий на различных этапах аэробной минерализации органических веществ (солома) засоленной и сильнозасоленной почвы.
Было обнаружено, что все простекобактерий размножаются и легко выявляются в колониях аэробных целлюлозоразлагающих микроорганизмов на среде Гетчинсона, образуя с ними смешанные колонии. Известно, что простекобактерий в чистых культурах не способны к самостоятельному использованию целлюлозы; таким образом, факт обнаружения такого сообщества дополняет известный список тех микроорганизмов, которые образуют симбиотические сообщества с аэробными целлюлозоразлагающими микроорганизмами (Имшенецкий, 1953; Калининская, 1967; и др.).
В начале разложения соломы в обоих типах почв, когда велика роль аэробной целлюлозоразлагающей микрофлоры, среди простекобактерий преобладали только Caulobacter ( а) и виды рода Prosthecomicrobium ( б, г, ж). Клетки размером0,5—0,75X1,5—2,5 мкм, подвижные, диаметр простек около 0,1 мкм, легко определяются как представители рода Prosthecomicrobium вида P. polyspheroidum ( б). Другой организм с короткими простеками диаметром около 0,2 мкм морфологически аналогичен P. enhydrum. Длина клеток (исключая выросты) 1,0 мкм, а диаметр 0,5 мкм ( г, ж). Клетки этой формы обнаруживаются только в верхних горизонтах почвенного профиля (0—1 см).
Смена трофических условий в почве приводит к качественному изменению состава микробных ассоциаций. В конце вегетационного периода (август—сентябрь) на заключительных этапах минерализации соломы среди целлюлозоразлагающей микрофлоры развиваются преимущественно представителя рода Cellvibrio ( д). Из простеко- бактерий обнаруживаются Caulobacter, Hyphomicrobium ( б, 3). Массовое развитие гетеротрофных простекобактерий с многочисленными простеками рода Prosthecomicrobium ( б—г, ж), Stella ( и), Ancalomicrobium ( з) отмечено до глубины 5 см, а ниже преобладают Hyphomicrobium.
Наибольшее разнообразие морфологии клеток отмечено у представителей рода Prosthecomicrobium. Наряду с ранее описанными видами этого рода выявляются организмы, клетки которых обладают одновременно короткими простеками (как у Prosthecomicrobium polyspheroidum, с диаметром простек 0,1 мкм) и длинными до 0,1 мкм ( в), как у P. pneumaticum. Размер таких клеток, исключая простеки, 0,5 мкм в диаметре, длина до 0,75 мкм, поэтому такие клетки хорошо различимы в световом микроскопе. Обпаружены в обоих типах такыровидной почвы.
Простекобактерии рода Prosthecomicrobium
В засоленной почве выявлены простекобактерии рода Prosthecomicrobium, характерной особенностью которых является образование пучка из 12 фимбрий на конце каждой простеки ( е). Диаметр простек до 0,35 мкм, длина 0,25—0,6 мкм. Клетка, исключая простеки, размером 0,6X0,9 мкм.
Самыми длинными простеками, до 4,5 мкм, диаметром 0,25 мкм, обладают клетки рода Ancalomicrobium, обнаруженные в засоленной почве ( з) и выделенные в чистую культуру как штамм 22. Так же как и типовой штамм A. adetum (Staley, 1968), организм размножается почкованием. Процесс образования неподвижной почки с протеками такой же, как описан у A. adetum. У штамма 22 обнаружено образование подвижных почек с короткими заостренными простеками (до 0,25 мкм в диаметре), которые при формировании у них длинных простек теряют подвижность.
Таким образом, максимальное морфологическое разнообразие простекобактерий приурочено к заключительным этапам разложения соломы, и только представители таких родов, как Caulobacter и Prosthecomicrobium (P. polyspheroidum, P. enhydrum, обладающие короткими простеками), господствуют практически на протяжении всего периода трансформации органики.
Создаваемые на рисовых чеках условия избыточного увлажнения, а также применение органических и минеральных удобрений способствует активизации в такыровидных почвах как аэробной, так и анаэробной почвенной микрофлоры. При этом если аэробные формы проявляют наибольшую активность в начале разложения соломы, то анаэробные целлюлозоразлагающие микроорганизмы доминируют позже, с фазы кущения (июль). В результате разлагающаяся солома становится источником целого ряда органических кислот, преобладающими из которых являются уксусная, масляная, пропионовая (Мишустин, Нелидов, 1982). Усиленное развитие целлюлозоразлагающих бактерий приводит к обогащению почвы также аминокислотами, витаминами и другими биологически активными веществами (Верни- ченко, Мишустин, 1980), служащими простекобактериям источником углерода и энергии. Именно этим можно объяснить, что развитие простекобактерий носит строго сезонный характер, т. е. массовое развитие морфологически разнообразных форм простекобактерий как партнеров аэробных целлюлозоразлагающих микроорганизмов приурочено к заключительным этапам деструкции соломы в почве, чем подтверждается положение относительно простекобактерий как представителей микрофлоры рассеяния.
Высказанное предположение о высокой степени доступности органических кислот для простекобактерий было подтверждено специально поставленным модельным опытом с внесением в почву кислот в концентрации 0,2%. В вариантах с уксусной, пропионовой и масляной кислотами количество простекобактерий (роды Caulobacter, Proshtecomicrobium, Stella) резко возрастало по сравнению с контролем, где отмечались лишь единичные клетки (Нелидов, Васильева, 1982).
Сообщество простекобактерий с анаэробными целлюлозоразлагающими бактериями имеет, по-видимому, опосредованный характер, определяемый формированием анаэробами пула органических кислот, которые диффузно или капиллярным подсосом (или иным видом транспортного процесса) попадают в аэробную область. В этом случае формируется окислительно-восстановительный барьер и развитие простекобактерий наиболее вероятно в микроаэрофильной области. Методом автографии на бумаге (Нелидов и др., 1982) отмечается чередование восстановленных и окисленных зон по всей глубине пахотного слоя, особенно выраженное в фазу кущения риса (июль), т. е. во второй половине разложения соломы. В смешанных культурах с целлюлозоразлагающими бактериями условия для размножения простекобактерий несомненно благоприятны. Об этом можно судить по морфологии клеток простекобактерий. Размеры, структура простек такие же, как в почве. Формы, образующиеся при неблагоприятных условиях (высокая концентрация субстрата), совершенно отсутствуют. Интенсивное размножение простекобактерий подтверждается большим количеством клеток в колониях целлюлозоразлагающих бактерий.
Выводы
Микробиологический анализ биоценозов такыровидных почв, сезонной динамики простекобактерий показал, что эта морфологически различимая группа олиготрофных бактерий может служить индикатором процессов превращения соединений углерода в почве. Массовое развитие простекобактерий происходит в периоды доступности субстрата для питания этих организмов.
ЛИТЕРАТУРА
Васильева Л. В. Морфологическое группирование простекобактерий.— Изв. АН СССР. Сер. биол., 1980, № 5, с. 719—737. Верниченко Л. Ю., Мишустин Е. Н. Влияние соломы на почвенные процессы и урожай сельскохозяйственных культур.— В кн.: Использование соломы как органического удобрения. М., Наука, 1980, с. 3—33. Горленко В. М. Новый вид зеленых серобактерий.— Докл. АЦ СССР, 1968, т. 179, № 5, с. 1229—1231. Горленко В. МЛебедева Е. В. Новые зеленые серобактерии с выростами.—Микробиология, 1971, т. 40, вып. 6, с. 1035—1039. Имшенецкий А. А. Микробиология целлюлозы. М.: Изд-во АН СССР, 1953. 439 с. Калининская Т. А. Использование различных источников углерода азотфикси- рующими микробными ассоциациями.— Микробиология, 1967, т. 36, вып. 4, с. 621—625. Мишустин Е. Н. Развитие учения о ценозах почвенных микроорганизмов.—Успехи микробиологии, 1982, вып. 17, с. 117—136. Мишустин Е. Н., Нелидов С. Н. Удобрение соломой такыровидных почв, осваиваемых под рисосеяние.— Изв. АН СССР. Сер. биол., 1982, № 5, с. 645—659. Нелидов С. Н., Васильева Л. В. Простекобактерии при оценке биологического состояния почв рисовых полей.— В кн.: V Респ. конф. почвоведов Казахстана. Алма-Ата, 1982, с. 241. Нелидов С. Н., Пивоваров Л. Н., Мамутов Ж. У., Чистякова И. К. Окислительно- восстановительный режим затопляемых такыровидных почв и возможности его регуляции.— Изв. АН КазССР. Сер. биол., 1982, № 5, с. 52—57. Boylen С. W., Ensign /. С. Intracellular substrates for endogenous metabolism during long-term survival of rod and spherical cell Arthrobacter crystallopoietes.— J. Bacteriol., 1970, vol. 103, p. 578—587. Dow С. S., Lawrence A. Microbial growth and survival in oligotrophic freshwater environments.— In: Microbial growth and survival in extremes of environment. L., 1978, p. 1—20. Dow C. S., Whittenbury R. Prokaryotic form and function contemp.— In: Microb. ecology: Proc. 2nd Intern. Symp. Conventry, 1980, p. 391—417. Hirsch P. Budding bacteria.— Ann. Rev. Microbiol., 1974, vol. 28, p. 392—444. Hirsch P. Life under conditions of low nutrient concentrations.— In: Strategies of microbial life in extreme environments / Ed. M. Shilo. В., 1979, p. 357—372. Kuznetsov S. I., Dubinina G. A., Lapteva N. A. Biology of oligotrophic bacteria.— Ann. Rev. Microbiol., 1979, vol. 33, p. 377—387. Matin A., Veldkamp H. Physiological basis of the selective advantage of a Spirillum sp. in a carbon-limited environment.— J. Gen. Microbiol., 1978, vol. 105, p. 187—197. Poindexter J. S. The Caulobacter: Ubiquitous unusual bacteria.— Microbiol. Revs, 1981a, vol. 45, N 1, p. 123—179. Poindexter J. S. Oligotrophy fast and famine existence.— Adv. Microbiol. Ecol., 1981b, vol. 5, p. 63—89. Staley J. T. Prosthecomicrobium and Ancalomicrobium: New prosthecate freshwater bacteria.— J. Bacteriol., 1968, vol. 95, p. 1921—1942. |
Олиготрофы, олиготрофные бактерии
К содержанию книги: Почвенные организмы как компоненты биогеоценоза