ЛЕКЦИЯ 1 ВВЕДЕНИЕ Роль сельскохозяйственной микробиологии в решении практических задач сельскохозяйственного производства Сельскохозяйственная микробиология - раздел микробиологии, изучающий роль микроорганизмов в плодородии почвы, в питании и защите растений и животных, создании биопрепаратов для сельскохозяйственного производства Сельскохозяйственная микробиология - раздел микробиологии, занимается изучением микроорганизмов, которые участвуют в круговороте веществ, используются для приготовления удобрений, вызывают заболевания растений и др. Сельскохозяйственная микробиология изучает состав почвенной микрофлоры, ее роль в круговороте веществ в почве, значение для структуры и плодородия почвы, действие бактериальных препаратов на урожайность растений, а также микроорганизмы, вызывающие болезни растений, разрабатывает способы борьбы с ними, методы консервирования кормов и др.
В сохранении плодородия почв, используемых в земледелии, высока роль бобовых растений. До наступления новой эры ( III – I века до н. э. ) об этом писали греческий философ Теофраст и римляне Катон и Варрон. Теофраст Жан Батист Буссенго Марк Порций Катон Марк Теренций Варрон Буссенго (Boussingault, 1838) на опытных полях в Эльзасе установил ведущую роль азота в питании растений. Им было установлено, что люцерна и клевер обогащают почву азотом, они повышают урожайность следующих за ними озимых культур без внесения навоза. Ему не было известно о существовании клубеньковых бактерий, но его заслуга состоит в установлении роли бобовых растений в обогащении почвы азотом!
В 1888 году Бейеринк (Beijerinck) выделил из клубеньков бобовых растений (гороха, вики, чины, фасоли, сераделлы, лядвенца и др. ) бактерии. Он дал им наименование Bacillus radicola. Это были аэробные, мелкие бактерии, меняющие свою форму в процессе развития и под влиянием условий среды. Ма ртин Ви ллем Бе йеринк Год спустя они были переименованы Пражмовским (Prazmowski, 1889) в Bacterium radicola, а в это же время Франк (Frank, 1889) предложил изменить родовое название клубеньковых бактерий на Rhizobium. Адам Пражмовский Бейеринг, изучая выделенные бактерии, высказал мнение, что они представляют собой один вид, который можно разделить на две группы. В каждой из этих групп он выделял разновидности, связанные с определенными видами растений. Более поздние работы многих других исследователей позволили установить избирательную способность клубеньковых бактерий в отношении растения-хозяина, получившую название специфичности. Вирулентность – способность клубеньковых бактерий проникать в ткань корня, размножаться и вызывать образование клубеньков. Активность (эффективность) – способность в симбиозе с бобовыми растениями ассимилировать молекулярный азот. Клубеньки на корнях бобового растения
В 1901 году Бейеринг (Beijerinck) открыл аэробный свободноживущий микроорганизм, связывающий молекулярный азот – Azotobacter chroococcum.
Первый анаэробный микроорганизм, усваивающий молекулярный азот, был выделен и описан С. Н. Виноградским в 1893 году. Это была спорообразующая бактерия – Clostridium pasteurianum при фазово-контрастной микроскопии
Азотфиксация сине-зелеными водорослями Первые наблюдения над способностью сине-зеленых водорослей усваивать молекулярный азот сделаны Франком (Frank, 1889), в дальнейшем Дрюсс (Drewes, 1925) выделил чистые культуры трех сине-зеленых водорослей и убедительно показал их способность к ассимиляции молекулярного азота.
Для развития сельскохозяйственной микробиологии представляли интерес: - клубеньковые бактерии; - свободно живущие в почве бактерии Виноградского и Бейеринка, фиксирующие азот; - выделенные Виноградским бактерии, окисляющие аммиак в нитриты, а затем в нитраты.
С. Н. ВИНОГРАДСКИЙ (1856 -1953) Он родился в Киеве 1 сентября 1856 г. в семье состоятельного юриста. В 1873 г. он окончил с золотой медалью 2 -ую Киевскую гимназию. Затем он поступил на юридический факультет Киевского университета, но вскоре перевелся на естественное отделение физико-математического факультета, на котором пробыл свыше двух лет. Будучи на 3 -м курсе, С. Н. Виноградский оставил университет и, увлекаясь музыкой, поступил в Петербургскую консерваторию, в которой занимался по классу фортепьяно. Однако занятия музыкой не могли полностью удовлетворить его запросы, и его снова начинает привлекать наука. В ноябре 1877 г. он оставляет консерваторию и поступает на второй курс естественного отделения Петербургского университета. Однако любовь к музыке Сергей Николаевич, будучи сам прекрасным пианистом и виолончелистом, сохраняет на всю жизнь. В 1881 г. С. Н. Виноградский окончил Петербургский университет, получил диплом, и ему была присуждена ученая степень кандидата. Сразу после окончания университета он был оставлен при университете для подготовки к профессорскому званию. Сергей Николаевич Виноградский С 1885 по 1888 гг. он работал в Ботанической лаборатории Страсбургского университета, возглавляемой де Бари. Здесь им было проведено изучение морфологии и физиологии серобактерий, а также железобактерий. Эти эксперименты позволили С. Н. Виноградскому установить своеобразие физиологии железо- и серобактерий, у которых получение энергии связано с окислением неорганических соединений.
В Цюрихе, в котором он пробыл с 1888 по 1891 гг. , он разрешил необычайно сложный вопрос о нитрификации. Им была не только доказана биологическая природа этого процесса, но и выделены возбудители, окисляющие аммиак до нитритов, а также специальные микробы, окисляющие нитриты до нитратов. Эти выдающиеся исследования сделали С. Н. Виноградского одним из крупнейших биологов того времени. После появления работ по нитрификации летом 1890 г. к нему в Цюрих приехал И. И. Мечников, который от имени Пастера сделал ему предложение стать заведующим лабораторией в Пастеровском институте в Париже. В 1891 г. С. Н. Виноградский приехал в Париж и посетил Пастера, который снова приглашал его работать у себя. Однако в этот период в России был организован крупный научно-исследовательский центр — Институт экспериментальной медицины в Петербурге. Когда Сергей Николаевич получил предложение возглавить микробиологический отдел этого института, он отказался перейти в Пастеровский институт и предпочел работать в России. В августе 1891 г. он был утвержден заведующим отделом общей микробиологии Института экспериментальной медицины. В январе 1894 г. в Москве состоялся IX съезд естествоиспытателей и врачей, на котором С. Н. Виноградский сообщил о том, что ему удалось изолировать из почвы анаэробную спороносную бактерию, названную им Clostridium pastorianum. В 1894 г. он был избран членом-корреспондентом Российской Академии наук. В это же время Виноградский совместно с Фрибесом, опубликовал сообщение о возбудителе мочки льна. Это был первый организм, выделенный в чистой культуре и обладавший способностью разлагать пектиновые вещества. В 1901 г. Московское общество любителей естествознания, антропологии и этнографии избрало его своим почетным членом, а в 1902 г. Французская Академия Наук избрала его членом-корреспондентом. В 1902 г. он был назначен директором Института экспериментальной медицины. С. Н. Виноградский в 1903 г. основал Микробиологическое общество, в котором в течение первых двух лет его существования состоял председателем. 23 мая 1923 года – 100 лет со дня рождения Пастера в Институте Пастера открыта лаборатория -отдел сельскохозяйственной микробиологии, ее возглавил С. Н. Виноградский. Этот отдел находится в 30 км от Парижа (в Бри-Конт-Робер).
Решение трех проблем, связанных с именем С. Н. Виноградского: - открытие хемосинтеза у микробов. Виноградский своими исследованиями показал, что некоторые микроорганизмы (нитрифицирующие бактерии) способны усваивать углекислый газ из воздуха без участия хлорофилла и солнечной энергии. Это явление, в отличие от фотосинтеза зеленых растений, было названо хемосинтезом; - изучение морфологии, циклов развития и изменчивости микроорганизмов; одним из первых нанес серьезный удар учению о циклогении, отрицающему развитие микроорганизмов, сводя всю изменчивость к замкнутым циклам развития, к переходам из одной жизненной фазы в другую. Возражения С. Н. Виноградского были основаны на результатах тщательных экспериментальных исследований, проведенных с азотобактером. - экология почвенных микроорганизмов; метод прямого подсчета клеток в почве, предложенный С. Н. Виноградским впервые дал нам реальное представление о биомассе микробов в почве, о количестве в ней микроорганизмов; он предложил выращивать микроорганизмы в условиях, оптимальных для развития одного вида, обладающего специфическими функциями. Среды с сероводородом для серобактерий, с солями закиси железа для железобактерий, аммонийными солями для нитрификаторов первой фазы — все это примеры элективных сред. Этот экологический принцип получил всеобщее признание, и в настоящее время элективные среды применяются при определении содержания различных физиологических групп микробов в почве. Применение Виноградским безазотистой среды позволило впервые выделить чистую культуру анаэробного фиксатора азота — Clostridium pastorianum и, используя этот прием в дальнейшем, получить культуры аэробного фиксатора азота — азотобактера.
Пастер выдвинул мысль о том, что микробы разрушают и минерализуют органические вещества. Фундамент сельскохозяйственной микробиологии был заложен, но самое здание долго не начинало строиться. Действительно, в то время как промышленная микробиология достигла уже значительного развития, а медицинская победоносно шла вперед гигантскими шагами, почвенная микробиология не двигалась с места, натолкнувшись в самом начале на микробов с неизвестными и трудно определимыми свойствами. Новый метод так называемой элективной культуры преодолел, наконец, все препятствия, и с тех пор исследователи научились без больших трудностей выделять из почвы различные микроорганизмы представляющие интерес для агрономии. Открытие нитрифицирующих и усваивающих азот бактерий было с этой точки зрения решающим. Именно с этого момента начали много говорить о сельскохозяйственной микробиологии. Первые печатные работы по сельскохозяйственной микробиологии появились около 1910 г. и принадлежали перу немецкого профессора Лёниса; две из них он выпустил почти одновременно: «Лекции» и «Руководство по сельскохозяйственной бактериологии» . Виноградсий С. Н. с помощью метода прямого микроскопирование почвы показал существование двух больших групп микроорганизмов, функционально отличных друг от друга по общему характеру жизнедеятельности: постоянно действующую автохтонную или разрушающую гумусовые соединения группу и зимогенную, которая питается различными органическими веществами и активность которой связана с их поступлением. Так шлифовать, варьировать и создавать новые способы изучения микробов может только выдающийся мастер эксперимента. В этом своеобразие и сила С. Н. Виноградского, так как, за исключением Пастера, мы не знаем микробиологов, которые обладали бы способностью так зажимать природу в тиски, чтобы она всегда, как об этом писал К. А. Тимирязев, давала ответ.
Основу сельскохозяйственной микробиологии составляет изучение микробных сообществ, обитающих в растениях, животных и почвах. Поскольку растения и животные создают на поверхностях, в тканях и в клетках разнообразные ниши для размещения микробных партнеров, гены, контролирующие развитие этих ниш, служат важнейшими детерминантами активности хозяйственно ценных микроорганизмов. Знания об их генетике, физиологии, молекулярной биологии и экологии позволяют создавать системы экологически устойчивого агропроизводства, в которых продуктивность растений и животных повышена за счет изменения состава и свойств их микробных симбионтов, экологически опасные агрохимикаты (минеральные удобрения, пестициды) полностью или частично замещены препаратами микроорганизмов, снижена энергоемкость производства и повышено качество продукции
Начало развития сельскохозяйственной микробиологии в России относится к 1891 году, когда в Санкт-Петербурге при Департаменте земледелия и государственных имуществ была организована Бактериологическая лаборатория, задачей которой стало создание микробиологических методов борьбы с мышевидными грызунами. У истоков ее стояли такие выдающиеся микробиологии, как С. С. Мережковский, Б. Л. Исаченко и другие. Энтузиазм по поводу микробиологических работ в то время был большой и микробиология активно завоевывала позиции. Сельскохозяйственная микробиология также была на подъеме, достаточно сказать, что именно в это время Б. Л. Исаченко начинает читать курс сельскохозяйственной бактериологии для студентов Санкт-Петербургского императорского университета. Деятельность лаборатории сыграла огромную роль в пропаганде микробиологических достижений и их внедрении в практику сельскохозяйственного производства России. С. С. Мережковский Борис Лаврентьевич Исаченко Сергей Павлович Костычев
Само создание Всесоюзного института сельскохозяйственной микробиологии произошло в 1930 году под руководством выдающегося биолога Сергея Павловича Костычева. Сферой деятельности института была и остается широкая группа микроорганизмов, которая играет определяющую роль в почвообразовательном процессе, формировании агрофитоценозов, биологическом контроле ряда важнейших болезней и вредителей растений. При этом, одной из важнейших заслуг института является привлечение в практику сельскохозяйственного использования все новых видов бактерий и грибов, установление их полезных функций, разработка практических приемов их использования. Сегодня Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии составляет основу российской научной школы сельскохозяйственных микробиологов, основоположниками которой были всемирно известные ученые академики С. П. Костычев, Е. Н. Мишустин, Б. Л. Исаченко, Г. А. Надсон, И. И. Самойлов, О. А. Берестецкий, Г. С. Муромцев и др. Георгий Адамович Надсон Иван Ильи ч Само йлов БЕРЕСТЕЦКИЙ Олег Александрович МУРОМЦЕВ Георгий Сергеевич
Мишустин Е. Н. (1901 -1991) Крупнейший советский учёный в области теории и практика микробиологии почвы. Установил эколого-географическую изменчивость почвенных микроорганизмов, разработал проблему зональности в формировании микробных ценозов естественных и возделываемых почв, свойственных различным географическим зонам СССР, участия отдельных таксонов микроорганизмов в почвообразовательных процессах. Автор ряда новых теоретических концепций в этих областях. При этом на их основе разработал многочисленные рекомендации для практики сельского хозяйства. Награды: • Медаль «Серп и Молот» • Три Ордена Ленина • Орден Октябрьской Революции • Орден Трудового Красного Знамени • Две Государственные премии СССР (1970 год, 1982 год) • Сталинская премия (1951 год) • Заслуженный деятель науки РСФСР (1961 год) • Премия имени С. Н. Виноградского Золотая медаль имени Д. Н. Прянишникова Академии наук СССР[3] Евге ний Никола евич Мишу стин Указом Президиума Верховного Совета СССР от 20 февраля 1981 года за большие заслуги в развитии биологической науки, подготовке научных кадров и в связи с восьмидесятилетием со дня рождения Мишустину Евгению Николаевичу было присвоено звание Героя Социалистического Труда.
п Лаборатория взаимоотношений микроорганизмов почвы и высших растений Самцевич С. А. чл. -корр. , проф. , д. б. н. , руководитель Отдела микробиологии АН БССР Разработаны инокулянты для клевера, люпина, гороха и изучено влияние экзогенных факторов на процесс азотфиксации
Развитие сельскохозяйственной микробиологии в Беларуси Имя Семена Андреевича Самцевича тесно связано с развитием в АНБССР микробиологии, которой он отдал много творческих сил и свой организаторский опыт. С 1934 г. началась научная деятельность Семена Андреевича Самцевича в АН БССР в качестве старшего научного сотрудника Института биологии. В дальнейшем он возглавлял лаборатории микробиологии в различных учреждениях СССР, участвовал в Великой Отечественной войне. С 1964 г. С. А. Самцевич продолжил работу в АН БССР в качестве заведующего лабораторией микробиологии ИЭБ АН БССР, руководителя Отдела микробиологии, организованного по его инициативе и преобразованного в 1975 г. в Институт микробиологи. В 1967 г. С. А. Самцевич избран членом-корреспондентом АН БССР, в 1977 году ему присвоено звание заслуженного деятеля науки БССР. Основным предметом его научных исследований являлось изучение взаимоотношений микроорганизмов почвы и высших растений. В этой области знаний он представил цикл работ по исследованию механизма симбиоза клубеньковых бактерий и бобовых трав, получил новые данные о действии на корневую микрофлору высоких доз минеральных удобрений и роли гелеобразных выделений корней во взаимодействии почвенных микроорганизмов и растений, образовании и накоплении перегнойных веществ в почве. Ясно понимая роль микробиологии в научно-техническом прогрессе отдельных отраслей промышленности, С. А. Самцевич за сравнительно короткий срок организовал в АН БССР лаборатории технической микробиологии, биосинтеза ферментов, группу селекции микроорганизмов, что положило начало развитию фундаментальных и прикладных исследований в области технической микробиологии в республике.
Лаборатория взаимоотношений микроорганизмов почвы и высших растений Группа «Микрофлора мелиорированных почв Полесья» Самцевич Семен Андреевич Член-корреспондент, доктор биологических наук, профессор Зименко Тамара Гордеевна доктор биологических наук, профессор
Доктор биологических наук профессор Зименко Тамара Гордеевна стояла у истоков создания лаборатории микробиологии почв в АН БССР. Ею впервые на большом количестве объектов детально изучены микробиологические и биохимические процессы в торфяно-болотных почвах с разной степенью осушения, установлены и научно обоснованы пределы колебаний уровней почвенных грунтовых вод, способствующие оптимальному развитию полезной деятельности микроорганизмов и росту сельскохозяйственных растений при максимально возможном сохранении органического вещества и азота мелиорированных почв. Впервые установлены и детально исследованы на ряде торфяно-болотных почв разных типов изменения численности микроорганизмов разных функциональных групп, осуществляющих превращение азотсодержащих соединений торфа, разработаны пути направленного воздействия на микрофлору мелиорированных торфяно-болотных почв с целью регулирования процесса биологической минерализации и рационального использования органического вещества торфа. Под руководством Т. Г. Зименко выполнены масштабные исследования по изучению микробных ценозов и биологической активности почв, подверженных воздействию промышленных выбросов МПО «Химволокно» , Мозырского НПЗ, разработаны рекомендации по снижению негативного действия промышленных выбросов на объекты окружающей среды, что явилось отправной точкой дальнейших исследований в этой области в республике.
Более ста лет известны микробиологические приемы борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений. Это направление активно разрабатывал во ВНИИ СХМ Н. В. Кандыбин – автор ряда микробиологических препаратов (бактороденцид, битоксибациллин, бактокулицид и др. ), которые сыграли выдающуюся роль в становлении микробиометода в стране. В последнее время все большую актуальность приобретает проблема взаимоотношения микроорганизмов и растений. Учеными внесен достойный вклад в понимание молекулярногенетических процессов, происходящих в ризосфере, изучению генов бактерий и растений, контролирующих симбиотические признаки. Одним из крупных обобщений в этой области стало представление о единой генетической системе микроорганизма-симбионта и растения-хозяина, которая складывается в процессе симбиотического взаимодействия, при этом многие гены обоих партнеров впервые выявлены и описаны сотрудниками института. Работы по превращению органического вещества почвы вылились в создание нового поколения органических удобрений на основе отходов крупных животноводческих комплексов. Эти удобрения удачно сочетают стандарты минеральных агрохимикатов и экологическую безопасность традиционной органики. Сельскохозяйственная микробиология стала особенно актуальной в связи с необходимостью экологизации сельскохозяйственного производства. Интенсивные агротехнологии, обеспечив «зеленую революцию» середины XX века, привели к непредвиденным последствиям — глобальному загрязнению биосферы, неблагоприятным изменениям климата, утрате биоразнообразия в большинстве природных экосистем и в конечном итоге к снижению качества жизни народонаселения Земли. Поэтому все большее внимание уделяется развитию экологически устойчивых сельскохозяйственных систем. Один из основных способов достижения этой цели — частичное или полное замещение агрохимикатов препаратами симбиотических микроорганизмов, которые в природе успешно обеспечивают своих хозяев питательными веществами и защищают их от биотических и абиотических стрессов.
Сельскохозяйственное производство зависит от активности разнообразных микроорганизмов, обеспечивающих питание и развитие растений и животных, биоконтроль вредителей (насекомые-фитофаги, грызуны) и сорных растений, плодородие почвы (табл. ) Наиболее изученные примеры сельскохозяйственно значимых симбиозов растений и животных с микроорганизмами Тип симбиоза Функция Хозяин Микросимбионт Растительно - микробные взаимодействия Трофический Фиксация N 2: клубеньковая эндофитная ризосферная Двудольные, Злаки Разные растения 80 -90 % наземных растений Разные растения Подавление патогенных грибов Подавление сорняков Защитный Ассимиляция нерастворимых фосфатов почвы Подавление растительноядных животных Разные растения Amaranthus, Orobanche, Senecio Биоконтрольный Ризобии, Frankia Azoarcus Azospirillum spp. Гломусовые грибы Спорыньевые грибы (Clavicipitaceae), Clavibactertoxicus Pseudomonasspp. Различные патогенные грибы и бактерии (24, 25) Взаимодействия животных с микроорганизмами Трофический Защитный Биоконтрольный Расщепление целлюлозы с одновременной утилизацией азотных шлаков хозяина и синтезом белка Активация иммунной системы хозяина Подавление насекомых-фитофагов Подавление грызунов Жвачные животные (микробиота рубца) Lepidoptera, Coleoptera, Diptera Мыши, крысы Многочисленные микробные сообщества, которые включают несколько сотен видов Bacillus thuringiensis Salmonella enteritidis
Создание микробных препаратов — только первый этап использования сельскохозяйственно ценных микроорганизмов. В дальнейшем необходимо переходить к биоинженерии сложных полифункциональных систем. Началом таких работ может быть создание многокомпонентных инокулятов — аналогов природных микробиомов растений. Например, целесообразным представляется сочетание симбионтов, снабжающих растения азотом и фосфором, что обеспечит сбалансированное питание растений.
Развитие сельскохозяйственной микробиологии должно учитывать экологические и генетические риски широкого распространения интродуцированных микроорганизмов в агросистемах. Один из таких рисков — поддержание в растениях бактерий и грибов, патогенных для человека (включая виды Burkholderia, Escherichia, Klebsiella, Salmonella, Staphylococcus). К счастью, было показано, что растения люцерны или арабидопсиса слабо колонизируются патогенными для человека штаммами бактерий, хотя активно заселяются непатогенными формами, лишенными флагелл и систем экскреции белков. Однако в колонизацию некоторых растений энтеробактериями могут быть вовлечены поверхностные структуры, участвующие в инфицировании человека, что указывает на необходимость тщательного мониторинга эндофитных сообществ, особенно в тех растениях, которые человек употребляет в пищу в сыром виде.
Спасибо за внимание!
Скачать презентацию ЛЕКЦИЯ 1 ВВЕДЕНИЕ Роль сельскохозяйственной микробиологии в решении
лекция 1 Алещенкова.pptx