ЛЕКЦИЯ 2 Микроорганизмы почвы и их сообщества • Состав и структура микробных сообществ почв. • Методы изучения биоразнообразия микробных сообществ: прямой метод изучения биоразнообразия С. Н. Виноградского, способ мультисубстратного тестирования, метагеномный анализ видовой структуры микробного сообщества и др. • Влияние антропогенных факторов на микробное сообщество почвы. • Причины деградации сельскохозяйственных земель и методы их восстановления. • Биорегуляция деятельности микробных сообществ почв с целью восстановления нарушенных микробоценозов, повышения биогенности и плодородия почвы.
МИКРОФЛОРА ПОЧВ Зимогенная или сапротрофная, (от греч. zуте — закваска, genes – рождающий) микроорганизмы, разлагающие легкодоступные органические соединения. Обычно сапротрофов учитывают методом посева на твердые, а иногда и в жидкие питательные среды, содержащие те или иные органические вещества. Наиболее часто используют мясопептонный агар и крахмало-аммиачный агар, на которых хорошо выявляются бактерии и, в частности, актиномицеты. Для учета микроскопических грибов чаще используют подкисленный суслоагар, среду Чапека и т. д. Автохтонная (от лат. autochthonous — коренная, местная) микроорганизмы почвы разлагающие гумусовые соединения. Гумус представ-ляет собой комплекс разных по сложности соединений, весьма стойких к воздействию микроорганизмов. Отдельные составляющие гумуса существуют в почве многие сотни лет. Другие фракции гумуса, например фульвокислоты, разлагаются относительно легко. Поэтому при недостаточном поступлении в почву растительных остатков содержание гумуса в ней существенно снижается, в основном за счет фульвокислот.
Численность и соотношение отдельных групп микроорганизмов в почвах различных типов Зоны Почвы Тундровоглеевые и глеевоподзолистые Состояние почв Общее число микроорган измов, тыс. на 1 г почвы Бактерии Споры (из числа бактерий) Актиномицеты Грибы % Луговая степь и степь Сухая степь Черноземы Каштановые 2140 95, 6 0, 7 1, 4 3, 0 Окультуренные 4870 98, 0 0, 6 1, 6 0, 4 Целинные 1080 89, 3 12, 0 8, 1 2, 6 Окультуренные 2620 70, 7 14, 9 28, 2 1, 1 3630 63, 8 21, 4 35, 4 0, 8 Окультуренные 4530 64, 4 24, 5 35, 1 0, 5 Целинные Лесо-луговая Подзолы и дерново- подзолистые Целинные Тундра и тайга 3480 64, 8 19, 3 34, 7 0, 5 Окультуренные 6660 67, 6 23, 0 32, 0 0, 4 4490 63, 4 17, 7 36, 1 0, 5 7380 66, 1 19, 8 33, 6 0, 3 Целинные Пустынная степь и пустыня Бурые и сероземы Окультуренные
ЗИМОГЕННАЯ МИКРОФЛОРА ПОЧВ Микроорганизмы, разлагающие легко доступные органические соединения Бактерии В составе зимогенной микрофлоры богато представлены бактерии, особенно неспорообразующие формы. Однако количество их в разных почвах неодинаково. Так, можно считать доказанным, что гнилостные бактерии Pseudomonas fluorescens, являющиеся пионерами освоения органических растительных остатков, более богато представлены в почвах севера, где медленно идет минерализация. В почвах юга они обнаруживаются в значительном числе лишь в течение краткого времени после внесения растительных остатков. Представители рода Arthrobacter, по ряду признаков родственные актиномицетам, в большем числе встречаются в почвах южной зоны. Они характерны для более поздних стадий распада органического вещества и предпочитают нейтральную среду. В почвах севера очень часто присутствует значительное количество коринебактерий. Pseudomonas fluorescens Arthrobacter
ЗИМОГЕННАЯ МИКРОФЛОРА ПОЧВ Микроорганизмы, разлагающие легко доступные органические соединения Бактерии В почвах с энергичными мобилизационными процессами преобладают бациллы, использующие не только азот органический, но и минеральный азот (Bacillus megaterium, В. mesentericus, В. subtilis). Наоборот, в почвах со слабо протекающими процессами минерализации органических веществ доминируют спорообразующие бактерии, для которых необходим органический азот (В. cereus, В. mycoides и др. ). В этом проявляется глубокая связь физиологии микроорганизмов со свойствами среды их обитания. С. pasteurianum, в большом количестве встречается только в северных почвах. В почвах южной зоны доминируют С. acetobutylicum. При окультуривании почвы состав почвенной микрофлоры, в том числе бацилл и клостридий, существенно меняется, появляются спорообразующие виды, свойственные более южной зоне. С. acetobutylicum Bacillus megaterium В. cereus С. pasteurianum
Грибы Северные почвы, имеющие кислую реакцию, наиболее богаты грибами. Вообще в разлагающейся растительной массе и в верхних слоях почвы их биомасса значительно больше бактериальной. В тундре на 1 г почвы приходится 4 мг мицелия грибов, в лиственных лесах — до 1 мг, а в почвах южной зоны — 0, 4— 0, 7 мг. В почвах южной зоны родовой и видовой состав микроскопических грибов более разнообразен, чем в северных. В южны доминируют представители рода Aspergillus, а в северных — Penicillium. По имеющимся данным, род Penicillium в северных почвах представлен 35— 40 видами, а в южных — лишь 10— 15. Обратная картина наблюдается для грибов рода Aspergillus: в северных почвах в небольшом числе встречаются три—пять видов рода, в южных — 15— 20. Северные почвы беднее, чем южные, грибами рода Fusarium, которые особенно обильно размножаются в каштановых почвах и сероземах. В почвах обычно встречаются грибы с темнопигментированным мицелием (Dematium, Cladosporium, Macrosporium, Alternaria и т. д. ). Их экология плохо изучена, но отмечается, что представители рода Dematium более распространены в почвах с малоактивными мобилизационными процессами, т. е. в основном в северной зоне, а виды рода Alternaria чаще встречаются в окультуренных почвах.
Trichoderma Почвенная вытяжка на питательной среде
В тундре при большой пестроте почвенного покрова основная часть дрожжей сосредоточена на мхах и торфе. Доминантные виды дрожжей в тундровых почвах более характерны для живых и отмирающих частей растений. Они представлены базидиомицетами (роды Rhodotorula, Rhodosporidium, Cryptococcus). Rhodotorula rubra Rhodosporidium diobovatum Cryptococcus neoformans В лесных биогеоценозах много дрожжей имеется в подстилке. Они составляют группу базидиальных грибов (виды родов Candida, Trichosporon и др. ). В минеральных горизонтах почвы дрожжей значительно меньше. Candida albicans Trichosporon
В степном биогеоценозе травяной опад также богат дрожжами. Здесь встречается до 14 видов родов Cryptococcus, Aureobasidium, Rhodosporidium и др. Для почвы характерно доминирование Lipomyces tetrasporium. В биогеоценозах полупустынь и пустынь на растительности доминируют дрожжи родов Sporodiobolus, Tilletiopsis и Sporobolomyces, образующие баллистоспоры, рассеивающиеся токами воздуха и имеющие в жизненном цикле стадии, устойчивые к засухе, — хламидоспоры. Численность их видов невелика. Дрожжи в указанных регионах приурочены не к поверхностному слою почвы, а обитают на некоторой глубине — ниже 20 см. Род Lipomyces в почве пустынь отсутствует. Доминируют криптококки. Sporobolomyces roseus Cryptococcus Aureobasidium pullulans Sporobolomyces Sp
Актиномицеты В последние годы в изучении экологии и географии этих микроорганизмов достигнуты большие успехи. Типичные формы, относящиеся к аэробам и образующие мицелий, широко распространены в почве. Подобно бациллам, стрептомицеты бедно представлены в северных почвах, но в южных их численность резко возрастает, что подтверждается всеми методами исследования. Слабый рост актиномицетов в почвах северной зоны может быть объяснен как замедленным темпом разложения здесь органического вещества, так и слабой толерантностью организмов к почвенной кислотности. Имеющиеся сведения нередко противоречивы, но несомненно, что почвы южной зоны не только богаче актиномицетами, но и имеют более разнообразный их видовой состав. Смена состава актиномицетов в разных почвах хорошо выявляется на примере пигментированных культур. Они гораздо больше распространены в почвах, формирующихся в условиях теплого климата. Установлено, что и виды рода Actinomadura широко распространены повсеместно, но их видовое разнообразие значительно богаче в южных почвах. Actinomadura колония актиномицета
Целлюлозоразрушающие микроорганизмы Изучение микроорганизмов, разрушающих целлюлозу, показало, что их состав существенно меняется в разных почвах. В северных почвах (тундра) этот процесс связан с деятельностью некоторых медленно растущих грибов, относящихся главным образом к родам Dematium и Penicillium. В зоне тайги в составе данной группы появляются микобактерии и виды рода Cellvibrio. В южных почвах грибы в значительной степени вытесняются как уже указанными видами бактерий, так и представителями родов Cytophaga и др. В заметном количестве здесь появляются грибы рода Chaetomium. Биоценоз описанного состава в отличие от северного разрушает целлюлозу быстро. Изучение особенностей физиологии разных групп целлюлозо-разлагающих микроорганизмов позволило объяснить их своеобразную экологию. Особенности выражаются главным образом в требовательности к источникам азотного питания. Микроорганизмы северных почв (в основном грибы), хотя и медленно, растут и на бедных азотными соединениями средах. Микроорганизмы южных почв, разрушающие целлюлозу, нуждаются в высоком уровне азотного питания. На юге процесс минерализации азота протекает значительно энергичнее, что благоприятствует развитию микроорганизмов, более требовательных к условиям среды. Cellvibrio japonicus Cytophaga Chaetomium
АВТОХТОННАЯ МИКРОФЛОРА Микроорганизмы почвы разлагающие гумусовые соединения Среди микроорганизмов, способных достаточно энергично минерализировать гумусовые соединения почвы, характерны представители рода Nocardia, называемые иногда проактиномицетами. Род включает довольно много видов, различающихся по морфологическим и физиологическим признакам. Гумусовые соединения разрушаются с помощью проактиномицетов, образующие окрашенные в красной цвет колонии (N. rubra, N. corallina и др. ), бесцветные и желтоокрашенные формы проактиномицетов такой способностью не обладают. К процессу разложения гумуса причастны бактерии родов Pseudomonas, Arthrobacter, Mycobacterium, Micromonospora, Clostridium и т. д. , а также грибы (виды Penicillium, Aspergillus и т. д. ). Доказано, что чистые культуры микроорганизмов менее активно разлагают гумус, чем смешанные. Nocardia Micromonospora
Олиготрофные микроорганизмы Олиготрофы составляют большую группу почвенного микронаселения. Многие представители группы не растут на обычных питательных средах, так как не выносят высокой концентрации органических веществ и предпочитают ассимилировать питательные вещества из растворов с низкой концентрацией как азотсодержащих (олигонитрофилы), так и органических углеродсодержащих (олигокарбофилы) соединений. Олиготрофы завершают минерализацию органических соединений, т. е. представляют собой группировку, метаболически связанную с типичными представителями зимогенной микрофлоры. Олиготрофы относят к группировке, названной Г. А. Заварзиным «микрофлора рассеяния» . Олиготрофы могут быть учтены посевом почвенных суспензий на бедные питательные среды. Установлено, что относительная численность олиготрофов в северных почвах намного ниже, чем в южных. Это может быть объяснено тем, что в холодном климате минерализация органических соединений проходит медленно. В условиях юга при достаточном увлажнении жизнедеятельность микроорганизмов более энергична, органические остатки быстро разрушаются и олиготрофы размножаются более активно.
Олиготрофные бактерии условно подразделяют на четыре группы: I. Почкующиеся бактерии - это мелкие палочковидные микроорганизмы, обычно образующие протоплазменные гифы, на концах которых формируются почки. После созревания последние отделяются и дают начало новому организму. Молодые почки подвижны. К данной группе относят виды родов: Hyphomicrobium с неветвящимися гифами; Pedomicrobium с ветвящимися гифами; Hyphomonas, которым свойствен плеоморфизм; Blastobacter, у которых гифы не образуются, но формируются почки на клетке. Pedomicrobium manganicum Hyphomicrobium II. Простекобактерии. Имеют на клетке выросты (простеки) диаметром 0, 3 мкм и менее. Эти выросты представляют собой часть клетки, включая клеточную стенку, цитоплазматическую мембрану . и цитоплазму. К простекобактериям относят ряд родов: Prosthecomicrobium — палочковидные бактерии, размножающиеся делением, имеющие многочисленные заостренные выросты до 2 мкм в длину; Ancalomicrobium — близкие по морфологии к предыдущему, но с более длинными (свыше 2 мкм) пальцевидными выростами и размножающиеся почкованием; Labrys — бактерии с радиальнолучевым строением клеток, напоминающие двухлезвийный топор и размножающиеся почкованием; Stella — имеющие форму морской звезды с радиально-лучевой симметрией, размножаются делением. К простекобактериям относят и ряд других микроорганизмов
Олиготрофные бактерии условно подразделяют на четыре группы: III. Cтебельковые бактерии. Для них характерны вибриоидные или палочковидные клетки, образующие стебелек, который окружен общей оболочкой с клеткой. Размножаются делением перетяжкой. В группу стебельковых бактерий входят часто встречающиеся в почве виды родов Caulobacter и Asticcacaulis. У первых стебелек отходит от конца клетки; у вторых — прикреплен к ее боковой стороне. Microcyclus Spirosoma Caulobacter IV. Тороидальные (или кольчатые) бактерии. Клетки их отличаются изогнутой формой, неподвижные, размножаются делением. К данной группе относят виды родов: Microcyclus, имеющие изогнутые клетки; Renobacter — с палочковидными клетками и Spirosoma — со спиралевидными клетками.
Хемолитоавтотрофные и фотолитоавтотрофные микроорганизмы В почвах они представлены весьма разнообразно; вызывают окисление неорганических соединений, образующихся при микробной трансформации преимущественно органических веществ. Наиболее изучены нитрифицирующие бактерии, деятельность которых характеризует энергию мобилизационных процессов в почве. Еще в 20 -х гг. XX в. было установлено, что по мере движения от севера к югу активность процесса нитрификации усиливается. Это результат усиления в условиях более теплого климата процессов распада органических остатков, при которых выделяется N H 3 , служащий энергетическим и питательным субстратом для нитрификаторов. В условиях вертикальной зональности наблюдается аналогичное явление — по мере подъема в горы, где климат более суров, энергия нитрификационного процесса снижается. Схема структуры микробных сообществ почвы: А — зимогенная микрофлора; Б — автохтонная микрофлора (разлагающая гумус); В — олиготрофные микроорганизмы; Г — хемоавтотрофы
Помимо хемолитоавтотрофных микроорганизмов, в почвах обитают фотолитоавтотрофные микроскопические существа, среди которых наиболее типичны цианобактерии и эукариотические водоросли. В условиях арктических пустынь и тундры, на поверхности и в глубине почвы развиваются преимущественно зеленые и желто-зеленые водоросли, много азотфиксирующих цианобактерий. В подзолистых почвах преобладают одноклеточные (виды родов Chlamydomonas, Соссотуха, Chlorococcum, Chlorella) и некоторые нитчатые зеленые водоросли. Им сопутствуют нитчатые желто-зеленые и некоторые диатомовые водоросли. Цианобактерии, особенно в хвойных лесах, играют небольшую роль. В южных сухих и полупустынных степях при разреженном травостое развитие водорослей усиливается. При пустынном почвообразовании состав альгофлоры напоминает таковой в полупустынной зоне, но численность водорослей существенно снижается. Соссотуха Chlamydomonas Chlorella Chlorococcum
Методы определения численности почвенных микроорганизмов Прямые методы определения численности микроорганизмов Наиболее объективный метод такого анализа — прямое микроскопирование почвы по С. Н. Виноградскому. В соответствии с предложенной ученым методикой готовят почвенную суспензию и под микроскопом в определенном ее объеме подсчитывают общее число микроорганизмов. При подготовке почвенной суспензии целесообразно использовать один из рекомендуемых способов диспергирования почвы и десорбции микроорганизмов из почвенных частиц: растирание почвы, обработка поверхностно-активными веществами, ультразвукам и т. д. Далее пересчетом устанавливают, сколько микроорганизмов приходится на 1 г исследуемой почвы Наблюдение за микроорганизмами в природе. Методы анализа позволяют определить численность микроорганизмов или отдельных их групп в почве, но не выявляют их состояния (распределения, взаимосвязей и т. д. ). Для выяснения данного вопроса существует ряд подходов. Так, в XX в. Н. Г. Холодный рекомендовал изучать микробные пейзажи почвы при помощи « стекол обрастания» . В соответствии с данным методом в почву закладывают предметные стекла и оставляют на определенный срок. Поверхность стекол обрастает микрофлорой, характерной для данной почвы. Последующий микроскопический анализ стекол позволяет получить представление как о составе, так и о взаимоотношениях микроорганизмов в почве. Б. В. Перфильев и Д. Р. Габе для подсчета микроорганизмов в почве рекомендовали пользоваться сконструированной ими капиллярной камерой, глубина которой не превышает 30— 40 мкм, а ширина — не более диаметра поля зрения микроскопа. Подсчитав число микроорганизмов в капилляре, можно также сделать пересчет на 1 г почвы. Прямые методы дают представление об общей численности микроорганизмов в почве. Однако внешний облик микроорганизмов, как правило, не позволяет судить об их видовой принадлежности и функциях.
Учет численности отдельных физиологических групп. При анализе почв нередко учитывают число отдельных физиологических групп микроорганизмов. Это делают так называемым методом титра, при котором твердые или жидкие избирательные (элективные) питательные среды для определенных групп микроорганизмов засевают разными разведениями почвенной суспензии. После выдерживания в термостате отмечают ту степень разведения, в которой есть искомая группа микроорганизмов, и простым пересчетом определяют численность представителей данной группы в почве. Метод мультисубстратного тестирования. По существу система ЭКОЛОГ (BIOLOG) представляет полную реализацию на современном уровне классической идеи С. Н. Виноградского о методе, позволяющем регистрировать реакцию сложного природного микробного сообщества на предлагаемый к использованию широкий спектр разнообразных углеродсодержащих соединений. При росте микроорганизмов в ячейках происходит восстановление неокрашеных солей тетразолия до бордово-окрашенного формазана, который накапливается в ячейках в виде гранул. Регистрация окраски (510 нм) осуществляется с помощью многоканального фотометра (ридера). Информация автоматически поступает в базу данных компьютера. В основном варианте МСТ ЭКОЛОГ используют 47 отобранных экологически информативных субстратов, представляющих органические соединения различных классов Современные компьютерные методы обработки многомерных данных дают возможность сравнения микробных сообществ по характеристическим спектрам потребления большого числа субстратов
Метод метагеномного анализа Метод базируется на изучении последовательности генов суммарной микробной ДНК, выделенной из почвы. В основу положен принцип изучения биоразнообразия без выделения микроорганизмов в чистую культуру, а только анализируя отдельные элементы генетического материала. Применение рибосомальной филогенетики для изучения микробных сообществ базируется на допущении, что каждый вид микроорганизмов, входящих в сообщество, имеет свой уникальный тип последовательности гена 16 S р. РНК. Гибридизационный анализ с использованием генных зондов используют для определения таксономического положения входящих в сообщества микроорганизмов (филогенетические зонды) и для выявления генов, кодирующих определенные функции микроорганизмов (функциональные зонды). Например, в настоящее время большое внимание уделяется изучению биоразнообразия азотфиксирующих микроорганизмов, молекулярным маркером которых является ген nif H.
ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА МИКРОБНОЕ СООБЩЕСТВО ПОЧВЫ Влажность почвы Температура почвы Воздушный режим почвы Окислительновосстановительный потенциал почвы Кислотность почвы Механический состав почвы Биотические факторы
ВЛИЯНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА МИКРОБНОЕ СООБЩЕСТВО ПОЧВЫ Обработка почвы Органические удобрения Мелиорация Органические отходы Минеральные удобрения Солома Химические средства защиты растений (пестициды)
Благодарю за внимание
Скачать презентацию ЛЕКЦИЯ 2 Микроорганизмы почвы и их сообщества
лекция 2 Алещенкова.pptx