Окислительно-восстановительные условия

Окислительно-восстановительные условия играют решающую роль в развитии микроорганизмов в почве. Каждый микроб име­ет оптимальные значения Eh для своего развития или для прове­дения тех или иных процессов. Причем в каждой почве содер­жатся различные группы микроорганизмов по отношению к окислительно-восстановительным условиям. Всегда встречаются и соседствуют аэробы и анаэробы. Отмечается такая общая зако­номерность: с увеличением числа аэробов возрастает и число анаэробов, что обусловлено часто устанавливающимися между ними метабиотическими взаимодействиями, а также тем, что аэро­бы потребляют кислород и, таким образом, создают благоприят­ные условия для развития анаэробов. Специфика почвы как сре­ды обитания состоит в том, что в ней аэробные и анаэробные микрозоны соседствуют и часто занимают небольшие объемы. Принято считать, что на поверхности почвенных агрегатов сущест­вуют аэробные условия, а внутри — анаэробные. Это возможно только при бурном развитии аэробов на поверхности и поглоще­нии ими кислорода. В действительности же микроорганизмы в почве часто находятся в состоянии анабиоза и тогда кислород диффундирует и в центральную часть агрегата. Известно, что во всех почвах содержатся строгие анаэробы, например сульфатре- дукторы и метаногены, и, значит, анаэробные условия в опреде­ленные периоды времени существуют во всех почвах. Анаэроб­ные зоны возникают в результате развития аэробных процессов, а не только из-за агрегированное™ почвы. Поэтому возникно­вение около корня микроаэрофильных или даже анаэробных условий более вероятно, чем в тех местах почвы, которые не содержат легкодоступного органического вещества. Микробы по­верхности корня (ризопланы) осуществляют интенсивные про­цессы азотфиксации и денитрификации. Можно сделать заклю­чение, что на поверхности корней растений, по крайней мере на некоторых участках, создаются восстановительные условия, не­обходимые для протекания этих процессов. Однако, если на по­верхности корней возникают анаэробные зоны, то непонятно, как корни получают кислород для дыхания. В настоящее время установлено, что снабжение корней кислородом идет главным образом через почву, а не через ткани растений. Единственно возможным условием снабжения корня кислородом представля­ется микрозональность: одни участки корня интенсивно снабжа­ются кислородом, а другие находятся в условиях недостатка кис­лорода, выраженного в разной степени. Одни участки корня покрыты бактериями, а другие — свободны от них.

Господство в подстилке и верхних горизонтах почвы грибов свидетельствует о существовании достаточно аэробных условий в этих почвенных горизонтах. Напомним, что грибы являются аэроб­ными организмами, правда, как показали последние исследова­ния, некоторые из них являются факультативными анаэробами.

Микрозоны с различными окислительно-восстановительны­ми условиями очень подвижны во времени. Анаэробные зоны

существуют сравнительно недолго. Отмечается следующая пос­ледовательность процессов в микрозоне, обогащенной органи­ческим веществом. Сначала бурно развивается аэробный про­цесс и возникает недостаток кислорода. В глубину скопления органического вещества кислород не поступает, если сверху рас­положена пленка аэробов толщиной в несколько микрометров. В качестве источника кислорода начинают последовательно ис­пользоваться нитраты, сульфаты и, наконец, карбонаты, кото­рые превращаются в метан. Затем жизнь замирает в связи с ис­черпанием источников энергии для анаэробной жизни, и зона превращается в аэробную.

Известно, что в почвах могут возникать и длительно сущест­вовать обширные зоны, в которых господствуют восстановитель­ные условия — глеевые горизонты. Обычно же даже нижние го­ризонты почвы содержат значительное количество кислорода. Часто насыщены кислородом и фунтовые воды. В естественных условиях в почве обычно одновременно существуют микрозоны со всей гаммой перехода условий от аэробных до строго анаэроб­ных. Это относится даже к толще торфяников.

Температура

Температура почв в разных природных зонах резко различает­ся и колеблется от +30 до -30 °С. Температура почвы отличается от температуры воздуха. Обычно она ниже летом и выше зимой. Температурные колебания в почве по сравнению с воздухом сглажены (суточные и сезонные). Почвы в зонах с холодным и умеренным климатом в течение длительного времени, часто на протяжении почти всего года, находятся при очень низких температурах, во многих почвах температура вообще не подни­мается выше 5-10 °С, т.е. все микробиологические процессы долж­ны идти при температурах гораздо ниже тех, которые обычно используются при выращивании почвенных микроорганизмов в лабораторных условиях (20-28 °С). Поэтому для средних широт особое внимание следует уделять изучению специфики развития микроорганизмов при низких температурах, исследованию психрофильных и психротолерантных микроорганизмов.

В почвах теплых и холодных зон, как это ни странно, встреча­ются все температурные фуппы микроорганизмов: мезофилы, психрофилы и термофилы, которые резко различаются по кар­динальным температурным точкам. Исключе­ние составляют только экстремальные термофилы. В почвах всех зон преобладают мезофилы, но всегда встречаются и умеренные термофилы и психрофилы. Среди последних преобладают психротолерантные, т.е. такие, которые могут расти и при 0°С, но
оптимум у них находится при 20-30 °С. Истинные психрофилы характерны для местообитаний с постоянными низкими температурами: пещеры, нижние слои воды в морях и озерах.

Трудно объяснимо наличие во всех почвах, хотя и небольшого, но существенного количества термофилов, причем не удается проследить четкой закономерности падения их количества при про- движении по природным зонам на север. Нижний предел их развития лежит при 25 °С, т.е. при температуре, которая во многих почвах вообще не достигается. Нужно отметить, что в противоположность pH и окислительно-восстановительным условиям в почве вряд ли возможно существование микрозон, резко отличающихся по температуре. Наблюдающееся саморазогревание вплоть до возгорания компостных куч обусловлено выделением тепла интенсивно развивающимися микробами при наличии большой массы органических веществ. Некоторые исследователи полагают, что в ризоплане возможно повышение температуры на 2-3 °С.

Температурные изменения происходят в основном не в про­странстве, а во времени (зима, лето). Конечно, в разных почвен­ных горизонтах единовременно может быть разная температура. Например, зимой верхние горизонты почвы могут быть замерзши­ми, а нижние могут находиться при положительных температурах.

Однако все это не объясняет причин обнаружения термофилов в почвах. Возникла гипотеза о том, что почва не является местом обитания термофилов и что они являются аллохтонными микроор­ганизмами, занесенными в почву из других источников (экскременты теплокровных животных, навоз, кучи саморазогревающихся гниюших остатков). Можно предложить и другое объяснение: в спе­цифических почвенных условиях кардинальные температурные точки у микроорганизмов могут смещаться по сравнению с уста­новленными на искусственных питательных средах. Например, показано, что недостаток в среде двухвалентных катионов при­водит к понижению температурного минимума у термофилов. Отметим, что в северных почвах (почвы тундры, подзолы, дерно­во-подзолистые почвы) двухвалентных катионов содержится мало. Возможно влияние и других факторов. С экологической точки зрения возникает и другой вопрос, который требует объяснения. Температурный оптимум большинства почвенных микроорганиз­мов оказывается значительно выше тех температур, которые гос­подствуют в почвах северных и умеренных зон. Казалось бы, что почва является естественной средой обитания микроорганизмов, и они должны были бы приспособиться к существованию в соот­ветствующих условиях. Оптимум развития в лаборатории обыч­но устанавливается по температуре, при которой микроорганизм дает наибольшую биомассу за кратчайший промежуток времени, и эта температура не является лучшей для длительного нормаль­ного сбалансированного роста. Наиболее благоприятным для микроба можно назвать сбалансированный рост, т.е. когда удель­ные скорости синтеза различных клеточных компонентов соот­ветствуют общей удельной скорости роста клеток. Как правило, такой рост осуществляется при температурах более низких, чем так называемый температурный оптимум, и идет он гораздо мед­леннее. Мало изучено, насколько меняются кардинальные точки в зависимости от условий среды. Во всяком случае, экологически оптимальные температуры, безусловно, лежат гораздо ниже так называемых оптимальных температур, когда микроорганизмы за наименьший срок наращивают наибольшую биомассу, причем рост не является сбалансированным, часто накапливается много за­пасных питательных веществ и излишки определенных метабо­литов. Длительное выживание бактериальных клеток связано с успешным протеканием вторичного метаболизма и образованием вторичных метаболитов. С вторичным метаболизмом связано образование спор, цист, кокковидных клеток у артробактера, стебелька у каулобактера и др. Микроорганизмы выживают лучше всего, если вторичный метаболизм протекает при оптимальных условиях. Оптимальные условия для протекания вторичного ме­таболизма нередко лежат намного ниже оптимума роста, иногда на 5-10 °С.

До последнего времени недостаточно изучались психрофильные и психротолерантные группы почвенных микроорганизмов, так как это требует затраты большого времени. Между тем мож­но думать, что именно они ведут основные процессы в почвах северных и средних широт. Вероятным представляется, что в ряде почв основная масса органических веществ, синтезируемых рас­тениями, разлагается при температуре 5-0 °С, а часть и при от­рицательных температурах. Здесь должны вступать в действие психрофильные и ксерофильные микроорганизмы, которые мо­гут развиваться при низких значениях потенциала почвенной влаги или активности воды.

Местообитания с переменными по сезонам температурами содержат много психротолерантных микроорганизмов. Они час­то переходят от покоя к развитию (/--стратеги), отличаются ши­рокой областью температур пригодных для роста. Важным фак­тором для их выживания является эффективный вторичный метаболизм, который должен осуществляться при низких темпе­ратурах. Местообитания с постоянными низкими температурами (холодные моря, пещеры) содержат много психрофилов.

Для более полного выделения микроорганизмов из любой почвы необходимо вести культивирование при низких, средних и высоких температурах. Температура является одним из важных факторов создания элективных условий для развития опреде­ленных групп микроорганизмов. Почти во всех почвах господ­ствуют мезофилы (даже в тундре и тропиках), хотя встречаются все группы. Исключение составляют только горячие источники (80-120 °С). Температурный фактор используют также для по­давления конкурентов и выделения искомых микроорганизмов. Относительно низкие температуры (20 °С) используются для вы­деления из почвы дрожжей, что дает возможность подавить быст­рый рост грибов. При низких температурах грибы растут медлен­но и не занимают на чашках Петри пространство, необходимое для формирования колоний дрожжей.

При проведении физиологических и биохимических исследова­ний (определение дыхания, азотфиксации, нитрификации, образо­вания токсинов и антибиотиков) нужно помнить, что изменение температуры даже на один градус приводит к существенным из­менениям скорости процессов и вообще метаболизма. Важным условием нормального метаболизма является сохранение опре­деленной степени вязкости цитоплазматической мембраны, осу­ществляющей транспорт всех веществ в клетку. При изменении температуры вязкость должна была бы меняться. Чтобы этого не происходило, клетка изменяет состав жирных кислот в фосфо­липидах цитоплазматической мембраны. Более жидкими явля­ются ненасыщенные жирные кислоты, более твердыми — насы­щенные.

Разные температурные группы микроорганизмов отличаются рядом черт своего биохимического строения. В частности термо­филы содержат специфические термоустойчивые ферменты. Психрофилы не могут расти при повышенных температурах, так как при этом некоторые их ферменты инактивируются.

Рассмотрена проблема роста микроорганизмов в различных диапазонах температур. Особую проблему составляет сохранение жизнеспособности микробов при разных температурах. При низ­ких температурах жизнеспособность сохраняется очень хорошо. Лучшим способом сохранения микроорганизмов считается хра­нение их в жидком азоте, они хорошо сохраняются и в сухом льду (замороженная С0₂), в почве они хорошо переносят зимние морозы, а также хорошо сохраняются и в вечной мерзлоте.

Микробы могут быть очень устойчивы к воздействию высо­ких температур, особенно покоящиеся формы (споры, цисты, анабиотические формы). Более устойчивы сухие клетки, чем оводненные. Для того чтобы простерилизовать почву, применяют автоклавирование, обработку сухим жаром, у-лучами или ан­тисептиками. Отметим, что аборигенные микроорганизмы, на­ходящиеся непосредственно в почве, отличаются особой устой­чивостью и полностью простерилизовать почву весьма трудно, часто приходится прибегать к многократной стерилизации с ин­тервалами для прорастания покоящихся клеток и спор.

Можно было бы рассматривать влияние на развитие микроор­ганизмов еще большого количества факторов, которые воздейст­вуют на микроорганизмы в почве как естественной среде обита­ния. Это осмотическое давление и концентрация солей, содержание и концентрация питательных элементов (N, Р, К, Fe, Са, Mg, микроэлементы), растворимые и нерастворимые органические ве­щества для катаболизма и анаболизма, наличие тяжелых металлов и других загрязнителей, присутствие физиологически активных веществ. Это будет сделано в других разделах.

Слайды, презентации

Контрольные вопросы:

1. Специфика почвы как среды обитания почвенной биоты?
2. Твердая фаза почвы и природа явления адгезии микроорганизмов
3. Десорбция микроорганизмов при их количественном учете в почве
4. Активность адгезированных клеток
5. Жидкая фаза почвы и ее роль в жизни микроорганизмов?
6. Термодинамическая характеристика состояния почвенной влаги
7. Развитие микроорганизмов в пленках и капиллярах почвенной влаги?
8. Газовая фаза почвы и ее роль?
9. Концентрация ионов водорода и ее значение
10. Окислительно-восстановительные условия и температура почвы?

Литература:

8. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв: Учебник. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 2005.

9. Звягинцев Д.Г. Микроорганизмы и почва. М.: МГУ, 1987.

10. Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. М.: МГУ, 1989. с.336.

11. Мирчинк Т.Г.Почвенная микология.-М.: Изд. МГУ,1986.

12. Емцов В. Т.Микробы, почва, урожай. – М.: Изд. Колос,1980.