Микробная сукцессия в почве. Межорганизменные взаимодействия

Цель практического занятия: определить микробную сукцессию в почве и межорганизменные взаимодействия почвообитающих животных

Ключевые слова:. взаимодействие микроорганизмов с растениями, симбиотические микроорганизмы азотфиксаторы, микоризные грибы, фитопатогенные микроорганизмы, микроорганизмы ризосферы и ризопланы, эпифитные микроорганизмы, регуляторы роста растений микробного происхождения, взаимодействие микроорганизмов и почвообитающих животных

Вопросы:

1. Взаимодействие микроорганизмов с растениями

2. Симбиотические микроорганизмы азотфиксаторы

3. Микоризные грибы

Фитопатогенные микроорганизмы

4. Микроорганизмы ризосферы и ризопланы

5. Эпифитные микроорганизмы

6. Регуляторы роста растений микробного происхождения

7. Взаимодействие микроорганизмов и почвообитающих животных

 

Для понимания функционирования комплекса почвенных микроорганизмов все исследования необходимо проводить в ди­намике. Это относится и к определению количества микроорга­низмов, и к определению качественного состава, выделению микробов-продуцентов физиологически активных веществ, и к ферментативной активности почв. Многие показатели биологи­ческой активности почв настолько динамичны, что их одноразо­вое определение только вводит в заблуждение. Показатель поле­вой биологической активности почв иногда оказывается настолько изменчивым, что один-два раза его вообще не стоит определять, хотя в принципе ясно, что он дает очень тонкую и точную харак­теристику места и момента исследования. Были сделаны попыт­ки увеличить повторность определений, делать их в различных точках сравнительно большой исследуемой площади и т.д. Все это повышает точность определений, но без учета фактора вре­менной динамики сделать какие-либо серьезные выводы нельзя. В последнее время появилось новое представление о том, что временные изменения не случайны и обусловлены не только внеш­ними воздействиями, но во многом определяются внутренними событиями, происходящими в почве и в комплексе почвенных микроорганизмов. В системе почва-микроорганизмы происхо­дят закономерные и планомерные изменения количества и качест­ва микроорганизмов, направленности и напряженности микро­биологических процессов, это и называется микробной сукцессией. Под этим понимаются последовательные закономерные измене­ния в комплексе почвенных микроорганизмов и в происходящих микробиологических процессах независимо от того, приведут ли эти изменения (сукцессия) к установлению новой микробной сис­темы или же система вернется в первоначальное состояние. За­кономерная микробная сукцессия облегчает изучение временных изменений.

Четкое определение микробной сукцессии в почве в природе достигается с большим трудом из-за появления непрогнозируе­мых, случайных факторов, которые затрудняют получение об­щей картины.

В природе микробная сукцессия наиболее четко и просто мо­жет быть прослежена в лесной подстилке. Хорошо сформировав­шаяся лесная подстилка состоит из трех слоев: L (leafs) — опав­шие листья, F — ферментационный и нижний Н (humus) — гумусовый. Верхний слой состоит из листьев, опавших в теку­щем или прошлом году, слой F включает растительные остатки, опавшие два-четыре года тому назад, слой Н состоит из материа­ла 5-10-летней давности. Изучая микроорганизмы и процессы в разных слоях, исследователь может единовременно получить кар­тину изменений почвенной биоты и вызываемых ею процессов на протяжении 5-10 лет. Строение лесной подстилки является результатом сменяющих друг друга этапов разложения раститель­ных остатков, обусловленных сменой функционирующих комп­лексов организмов, т.е. микробной сукцессией. Происходит «кон­вейерная» переработка растительного материала.

Для слоя L характерно обилие и высокое разнообразие орга­низмов. В этом слое много эпифитов и других организмов, попа­дающих в подстилку с опадом: высока доля грибов, много мак- ромицетов Marasmius, Мусепа и Collydia, много неспороносных бактерий, в большом количестве встречаются нематоды, коллем- болы и панцирные клещи — орибатиды. В слое L происходит разложение сахаров, крахмала, пектина и белков.

В слое F отмечается самое активное дыхание за счет очень высокой численности и активности микроорганизмов, разнооб­разие которых велико. Преобладают базидиальные грибы и мик- ромицеты — представители экологической группы деструкторов целлюлозы: Chaetomium, Trichoderma, Mycogonea. Им сопутствуют бактерии гидролитики. В этом слое особенно много микроартро- под — коллембол, клещей. Здесь идет распад устойчивых поли­меров (целлюлоза, хитин, ксиланы, лигнин). Одновременно про­исходит синтез меланинов, входящих в гуминовые кислоты.

В слое Н в результате уменьшения содержания доступных орга­нических веществ снижается общая численность организмов. Уменьшается интенсивность дыхания. Снижается разнообразие грибов. Из бактерий остается много актиномицетов, коринеформных бактерий и бацилл. Здесь завершаются процессы распада сложных полимеров и накапливается гумус. В гумусовом слое большую долю составляют выбросы дождевых червей и других беспозвоночных.

При переходе к минеральным горизонтам почвы резко меня­ется состав экологических и таксономических групп организмов.

В группе мелких членистоногих (микроартропод) по мере сук­цессии происходит смена доминирования поверхностных форм подстилочно-почвенными, а затем почвенными. Наиболее заметна эта смена у нематод, менее — у ногохвосток, еще менее — у пан­цирных клещей (Н.М. Чернова)

В разных условиях минерализация опада сильно различается. В тропическом лесу, где круглый год держатся высокие темпера­туры и влажность, ежегодный опад полностью разлагается, бла­годаря чему почва здесь голая, без подстилки. В хвойных лесах Севера с коротким периодом положительных температур опад разлагается медленно и накапливается в силу климатических ус­ловий и из-за химического состава хвои.

Изучение сукцессии в почве лучше производить в модельных, более стабильных условиях (по сравнению с природой), что дос­тигается при работе с почвенными образцами (микрокосмами), помещенными в лаборатории в контролируемые условия темпера­туры, влажности и снабжения питательными веществами. Необ­ходимо создать условия, которые дают начало протеканию сук­цессии, и затем следить за ней при относительно неизменных внешних условиях. Начало сукцессии может быть наиболее про­сто задано увлажнением сухого почвенного образца, причем до разных уровней влажности (низкого, среднего, высокого) или вне­сением в почву различных органических веществ (сахаров, хити­на, целлюлозы, лигнина, нефтепродуктов, антибиотиков), мине­ральных удобрений, тяжелых металлов, пестицидов и др. После изучения простой сукцессии, протекающей при относительно ста­бильных внешних условиях, часто необходимо вводить в действие дополнительные факторы: температурный стресс, внесение опре­деленной микробной популяции, повторное внесение органиче­ского вещества или добавление другого органического вещества.

Сукцессионные изменения проходят вполне закономерно, в оп­ределенной последовательности, так что их можно предсказывать. Основная ценность такого изучения состоит в том, что оно дает возможность подойти к разрешению общих проблем регуляции микробиологической активности почв. Однако имеет значение и определение особенностей протекания сукцессии в почвах раз­ных типов, разной степени окультуренности, установление сте­пени гомеостатичности, проявляющейся в разных почвах при воздействии внешних возмущающих факторов, определение воз­можных пределов отклонения от нормы и возможности возврата к норме.

Для наблюдения за микробной сукцессией в почве использу­ются различные критерии.

Определение в динамике общей численности и биомассы бактерий с помощью люминесцентно-микроскопического метода при окрашивании акридином оранжевым. Определение длины гиф фибов и численности их спор при окрашивании калькофлуором белым (люминесцентная микроскопия) и расчет их биомассы.

Определение динамики численности бактерий на питатель­ных средах с помощью чашечного метода.

Определение динамики численности микроорганизмов на различных питательных средах для аэробных и анаэробных, литотрофных и гетеротрофных, термофильных, мезофильных и психрофильных бактерий.

Расчет коэффициента К, показывающего отношение числа бактерий, определяемых прямым микроскопическим методом, к числу бактерий на питательной среде.

Определение численности фибов и актиномицетов мето­дом посева.

Определение средней радиальной скорости роста грибов и актиномицетов, выделенных на разных стадиях сукцессии.

Метод зондирования, основанный на внесении искусствен­но маркированных микробных популяций для выяснения их вы­живания, поведения и динамики численности в ходе сукцессии и взаимодействия с развивающимися в процессе сукцессии поч­венными микроорганизмами.

Метод зондирования, основанный на внесении двух попу­ляций и изучении их взаимодействия между собой и с комплек­сом почвенных микроорганизмов.

Определение интенсивности определенных процессов в ходе сукцессии (потребление органических источников питания, ин­тенсивности дыхания, азотфиксации, денитрификации, образо­вания летучих жирных кислот и др.).

Определение микробов антагонистов на разных этапах сук­цессии.

Определение доминирующих видов на разных стадиях сук­цессии.

Определение скорости дыхания, азотфиксации, денитри­фикации, выделения метана и др.

Сукцессионный подход в почвенной микробиологии исполь­зовался мало. Некоторые исследователи пытались проследить сук­цессию почвенных микроорганизмов в связи с сукцессией расти­тельности. Получены интересные сведения по изменению видового состава грибов, но такой подход не особенно перспективен при изучении принципов функционирования комплекса почвенных микроорганизмов. Перспективнее изучение сукцессии в мире мик­роорганизмов, когда в почве одни микробы во времени сменяют­ся другими. Следует учитывать, что микроорганизмы размножа­ются значительно быстрее растений. Скорость их размножения в десятки и сотни раз больше. Поэтому сукцессионные события, которые для растений длятся десятки и сотни лет, в мире почвен­ных микроорганизмов происходят за несколько месяцев.

Сукцессионные исследования относятся к разряду биодина­мических и во многом объясняют биодинамику почв. Несмотря на микрозональность почв, сукцессионные события проходят синхронно во всей почвенной массе, если агент, вызывающий сукцессию, действует одновременно во всех микрозонах (увлаж­нение, оттаивание, внесение в почву растворимого органическо­го вещества).

Традиционный подход к изучению сукцессии предполагает исследование характера изменения видового состава, что под­робно исследовано для грибов, особенно по разным слоям под­стилки. Изучение на видовом уровне дает гораздо более полную информацию, чем изучение на родовом уровне. В нижних горизонтах доминировал не весь род Mortierella, а только один из его видов.

Для характеристики микробного комплекса также использу­ются интегральные критерии. Они представляют собой числовые величины, что удобно для сравнения. Микроорганизмы разделя­ют на группы в соответствии с их экологическими стратегиями. Выделено два крайних варианта экологических стратегий — Г- и К-стратегии. Первая свойственна организмам с высокой скоро­стью роста, стремящимся занять как можно больше пространст­ва, с нечетким стремлением к определенному уровню стабилиза­ции, с относительно широкой нишей, простыми жизненными циклами, слабовыраженной зависимостью скорости роста от по­пуляционной плотности, широким диапазоном уровней стаби­лизации. Они имеют больше шансов доминировать на ранних, ненасыщенных стадиях колонизации субстрата за счет высокой продуктивности и широты ниши. В равновесных ситуациях пос­ледних стадий сукцессии преимущество получают организмы с более высокой способностью к выживанию в условиях конку­ренции, использующие источники питания с высокой эффек­тивностью, с четким стремлением к стабилизации, со сложными жизненными циклами, с ярко выраженной зависимостью скоро­сти роста от популяционной плотности. Это микроорганизмы, обладающие К-стратегией.

Приведем пример изучения сукцессии микроорганизмов в по­чве с использованием увлажнения: 1) без внесения субстрата, 2) с внесением глюкозы, 3) с внесением целлюлозы.

Классические методы посевов на обычные питательные среды позволяют выявить только небольшую часть почвенных микро­организмов. Посев дает преимущественно информацию о мик­роорганизмах с г-стратегией. Это быстрорастущие микроорга­низмы, создающие большие колонии за 3-5 дней. Об этом свидетельствует резкое увеличение численности колоний, учи­тываемых на МПА, среде Эшби, крахмало-аммиачном агаре и других сходных средах после добавления в почву глюкозы или другого легкодоступного вещества. Микробиологи всегда подчер­кивали различия в численности микроорганизмов, вырастающих на обычных питательных средах, перечисленных выше. Однако правильнее подчеркнуть не различия, а их сходство. Отмечается общая закономерность: если при определенном воздействии на почву возрастает количество бактерий, учитываемых на одной среде, то оно увеличивается и на других средах. Явление обус­ловлено следующими причинами. Все эти среды и условия куль­тивирования сходны, и на разных средах растут одни и те же или близкие виды бактерий, причем на этих средах могут расти толь­ко Г-стратеги. Были сделаны попытки создания универсальной питательной среды, которая позволила бы учесть максимальное количество почвенных микроорганизмов. В качестве такой сре­ды предлагалась среда с почвенным экстрактом или с почвой. Ясно, что посев на любую среду дает представление о численности только части микроорганизмов, пищевые потребности и кинетика роста которых соответствуют условиям, заданным в эксперименте. Причем метод посева позволяет даже среди микроорганизмов, удовлетворяющих этим требованиям, выделить лишь доминант­ные формы, так как посев производится из определенного разве­дения почвенной суспензии и те формы, которых было мало, просто не попадут в чашку с питательной средой. Если же делать посев из малых разведений, то получают сплошной рост микро­организмов, и редкие формы все равно нельзя учесть. Для их учета нужны специальные элективные среды и условия. Разра­боткой этих сред и условий заняты микробиологи, изучающие узкие группы микроорганизмов, например «редких» родов акти­номицетов, ацидофилов и др. Для каждого рода или даже вида нужно подобрать свои условия, которые были бы наиболее бла­гоприятны для его развития и в наибольшей степени элимини­ровали бы конкурентов. Это может быть подбор питательных элементов, их концентрации, pH, Eh, добавление различных ан­тибиотиков, предварительное прогревание почвы, обработка ее ультразвуком, поверхностно-активными веществами.

Более полное представление о численности микроорганизмов в почвах дают прямые методы, и в частности метод люминесцент­ной микроскопии. Электронная микроскопия пока не дает воз­можности отличать микроорганизмы от коллоидных частиц поч­вы и не приспособлена для точного количественного учета.

Прямой микроскопический учет малочувствителен к колебани­ям численности микробов отдельных групп, определяемых на той или иной питательной среде, так как представляет собой сумму множества таких групп. Обычно численность одной группы уве­личивается, другой — уменьшается, а сумма остается довольно стабильной. Отмеченные особенности прямого учета не снижают его ценности. Однако прямой метод и метод посева дают взаи­модополняющую информацию.

Различия прямого метода и метода посева вполне естествен­ны, и подбор методов определяется целью исследования. Напри­мер, для определения биомассы микробов в почве пригоден только прямой микроскопический метод, а для описания изменений, происходящих под действием удобрений или пестицидов, — ме­тод посева. Более перспективным является совместное исполь­зование информации, полученной с помощью обоих методов. Для наглядного представления об информации, которую дают два метода, рассмотрим следующее уравнение:

М + М0 = П\ + R2 + R3 + R4 + R5,...,

 

где М, — численность бактерий, учитываемых прямым методом; М0 — частицы, которые ошибочно учтены как клетки; П/ — бак­терии, учтенные на определенной питательной среде; R2 — бак­терии, которые могут быть учтены на других питательных средах; R3 — медленнорастущие и не учитываемые по этой причине бактерии; R4 — бактерии, которые могут развиваться на используе­мой питательной среде, но не вырастают из-за того, что находят­ся в состоянии стресса; R5 — мертвые клетки, которые, однако, учитываются при прямой микроскопии.

Было обнаружено, что сукцессию хорошо характеризует ко­эффициент К:

Для зрелых сообществ коэффициент К будет возрастать, а для молодых — уменьшаться. Коэффициент К возрастает, если рас­тут компоненты, R2 — рост разнообразия микроорганизмов, R3— возрастание числа медленнорастущих форм, R4— клетки, нахо­дящиеся в состоянии стресса, включая голодание, R5 — число нежизнеспособных клеток. Нарастание всех указанных свойств характерно для зрелых экосистем. Поэтому высокое значение К характеризует поздние стадии микробной сукцессии, где преобла­дают микроорганизмы с К-стратегией. Низкое значение К указы­вает на увеличение доли быстрорастущих бактерий (Г-стратегов), что характерно для начальных этапов сукцессии. Результаты из­менения коэффициента К подтверждают положение

о возможности его применения для индикации стадий микроб­ной сукцессии. На седьмые сутки после внесения глюкозы К резко уменьшается, и показатели численности по данным микроско­пии и посева различаются не более чем в 10-15 раз, а для почв с внесением целлюлозы и для контрольной почвы данные двух ме­тодов различаются в 50-60 раз при первоначальном различии в 220 раз. Показатель К постепенно возрастает, что указывает на изменение сообщества и прохождение стадий сукцессии, причем возрастание больше выражено в вариантах с целлюлозой и с увлаж­нением почвы. Внесение мономера, полимера и даже просто ув­лажнение привели к омоложению системы, наиболее существен­ному в варианте с глюкозой.

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, вырастающих при посеве на МПА. Выяснилось, что здесь высок процент спорообразующих бактерий, а их доми­нирование наиболее сильно проявляется после месячного куль­тивирования почвы с глюкозой.

Очевидно, бактериальные эндоспоры нельзя причислять к микроорганизмам с r-стратегией и при вычислении коэффици­ента К нужно ввести поправку. От общей суммы бактерий, выде­ляющихся на богатой питательной среде (М), необходимо вы­честь сумму спор.

Иная картина наблюдалась при внесении в почву глюкозы, где после 35 сут. начинается резкое возрастание К, которое мож­но объяснить, учитывая, что первоначальное внесение глюкозы повлекло за собой увеличение количества бактерий, обнаружи­ваемых при посеве, в том числе и споровых. В ходе сукцессии количество неспорообразующих бактерий уменьшается, а спорообразуюшие сохраняются длительное время в виде спор, и их относительное количество возрастает к концу опыта. Поэтому информация о внесении глюкозы отражается в коэффициенте К даже спустя 80 сут. от начала исследования.

Коэффициент К является важным показателем, по которому можно судить о стадии микробной сукцессии в почве. Он также пригоден при сравнении микробных сообществ в различных го­ризонтах почвенного профиля. Коэффициент К изменяется от подстилки к верхнему почвенному горизонту от 10-15 до 200— 300, а в нижних горизонтах возрастает до 1000-1300. Результаты изучения динамики коэффициента К в разных горизонтах чер­нозема убеждают в том, что микрофлора горизонта А с самого начала более «молодая» по сравнению с горизонтом АВ. Это по­нятно, поскольку именно в верхние горизонты поступает расти­тельный опад, и скорость размножения микроорганизмов здесь значительно выше по сравнению с нижележащими горизонтами, что выражается в закономерном увеличении значения К вниз по почвенному профилю. Другими словами, в верхних горизонтах
почвенного профиля как бы поддерживаются ранние стадии сукцессии, а внизу профиля существуют более «зрелые» микробные
сообщества.

Теоретически возможны несколько типов сукцессий. Рассмот-
рим некоторые из них, наиболее характерные для почвенных микроорганизмов. Динамика коэффициента К в разных случаях принципиально отличается.

1 тип. Численность микроорганизмов, учитываемых методом посева, растет на первых этапах сукцессии и постепенно падает на последующих при почти неизменной численности
микроорганизмов, учитываемых прямым методом. В этом случае более
высокие значения К наблюдаются в поздние сроки, а более низкие — в начальные. Последнее связано с падением разнообразия мик­роорганизмов в системе, доминированием г-стратегов (быстро развивающихся форм). Этот тип сукцессии наблюдается в поч­вах, инициируемых увлажнением или внесением легкодоступ­ного субстрата.

2 тип. Численность микроорганизмов, учитываемых двумя методами в начальные сроки, возрастает, а затем сближается. В подобных системах «зрелые» стадии сукцессии вообще не дости­гаются. По этому типу идет сукцессия в ризоплане растений.

3 тип. Учитываемая методом посева группа r-стратегов по­лучает селективные преимущества в системе и становится глав­ной, разнообразие в сообществе непрерывно падает, коэффициент К приближается к единице. Такую ситуацию можно наблюдать в экосистеме, где основная масса бактерий подавляется введен­ным извне антибиотиком, а одна из групп бактерий (Г-стратегов) устойчива к нему.

4 тип. Селективное преимущество приобретает группа К-стратегов. Может происходить резкое падение численности всех групп микроорганизмов, но учитываемая методом посева груп­па Г-стратегов падает быстрее, чем общая численность. При этом общее разнообразие микробов в системе уменьшается, а коэф­фициент К растет. Эта ситуация возникает при воздействии на экосистему экстремальных условий, когда преимущество полу­чают устойчивые формы (например, споры, цисты, некультивируемые формы).

За исключением последней ситуации (IV тип сукцессии), во всех случаях наблюдается взаимосвязь между ростом коэффици­ента К и увеличением количества К-стратегов, что позволяет применять этот показатель как индикатор изменений, происхо­дящих в комплексе почвенных микроорганизмов.

Однако имеются системы, где отсутствуют «поздние» стадии сукцессии, и нарастание разнообразия здесь связано не с разви­тием К-стратегов, а с развитием различных групп r-стратегов (ризоплана). Чтобы иметь точное представление о направлении сук­цессии, нужно знать динамику коэффициента К во времени. Для анализа различных экосистем сопоставление коэффициентов К должно проводиться с указанием абсолютных значений числен­ности микроорганизмов и этапа сукцессий, к которым относятся сопоставляемые значения.

Охарактеризовать изменение грибов в процессе сукцессии очень важно, так как они часто являются главным активным ком­понентом почвенной биоты. Актиномицеты объединяются с гри­бами; обе группы являются мицелиальными микроорганизмами и в их экологии много общего.

Методы изучения грибов и актиномицетов, как и бактерий, связаны либо с прямой микроскопией почвы, либо с посевами на питательные среды.

Учет длины гиф актиномицетов проводится на препаратах, окрашенных акридином оранжевым вместе с бактериями. Гифы грибов и их споры учитываются в люминесцентном микроскопе при их окрашивании калькофлуором белым.

Посев грибов обычно производят на подкисленную среду Ча­пека, сусло-агар или другие среды для грибов. Основная труд­ность при интерпретации метода посева состоит в том, что нельзя разграничить колонии, выросшие из мицелия или из спор. Очень информативным оказалось совокупное использование данных пря­мого микроскопического метода и посева на питательную среду.

Необходимо отметить большое (в 5 раз) возрастание длины мицелия грибов в течение первой недели после внесения в почву глюкозы. В остальных вариантах наблюдается 1,5-2-кратное уве­личение длины мицелия.

Возрастание числа колоний по посеву наступает либо почти сразу (со вторых суток), либо после небольшого снижения пока­зателя численности, которое можно объяснить тем, что в иссле­дованном образце до его увлажнения и внесения питательных веществ грибы находились в состоянии спор.

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

Одному и тому же числу колоний по методу посева могут со­ответствовать различные «состояния» комплекса почвенных гри­бов, а сам метод посева недостаточно характеризует их сукцес­сию, если иметь в виду определение численности.

С помощью посева с успехом изучают видовой состав почвен­ных грибов. По мере прохождения сукцессии в почвах на расти­тельных остатках и корнях растений выделяются различные груп­пы грибов. Микологи сделали много подобных описаний. Кроме простой констатации факта наличия тех или иных видов на раз­личных стадиях сукцессии в почве проводится оценка структуры комплекса почвенных грибов по ряду параметров: частоте встре­чаемости, обилию видов, наличию доминантных и случайных форм для каждой стадии сукцессии, индексу видового разнооб­разия, сходству и др. Все эти подходы трудоемки и требуют на­личия специалиста по систематике грибов, к тому же видовая структура не вскрывает закономерностей функционирования почвенных грибов. Анализ специфики видового состава — это лишь один из возможных подходов в исследовании сукцессий. Смена видов — следствие изменения природы процессов, проис­ходящих в почве.

Для понимания стратегии грибов в почве большую ценность имеет знание параметров кинетики их роста.

Существует мнение, что грибы с высокой скоростью роста являются типичными первичными колонизаторами новых субст­ратов. Однако детально, с привлечением конкретных показате­лей роста этот вопрос почти не обсуждался. Методика определения обычных параметров кинетики роста бактерий разработана.

Гораздо сложнее обстоит дело с мицелиальными микроорганиз­мами, рост которых происходит в жидкой среде в виде комочков мицелия, что не позволяет определять удельную скорость роста ц и концентрацию субстрата, обеспечивающую половину макси­мальной удельной скорости роста К%. Было предложено опреде­лять параметры кинетики роста грибов и актиномицетов на твер­дой среде. Этот способ привлекает исследователей еще и тем, что рост на твердых средах (формирование колоний) в адгезированном состоянии типичен для микроорганизмов, развивающихся в почве, а в настоящее время установлено изменение параметров роста микроорганизмов при переходе из свободного в адгезированное состояние.

Грибная колония после непродолжительного промежутка экс­поненциального роста переходит к линейному росту, который осуществляется за счет активной зоны, расположенной анало­гично индивидуальной гифе на периферии колонии. Перт предожил модель для количественной характеристики роста коло­ний мицелиальных микроорганизмов, выделив в их строении две зоны: центральную и периферическую (со). Рост колонии идет за счет периферической зоны (со) так, что колония увеличивается в длину с постоянной скоростью (К_г):

Кx=u со,

где ц — удельная скорость роста, со — ширина зоны активного ро­ста колонии, Кх — радиальная скорость роста колонии, которая определяется изменением радиуса колонии за единицу времени.

Для установления ценности экологических исследований по­казателя Кx изучали рост грибов с различными экологически­ми свойствами: Mortierella ramanniana и Mucor circinelloides. М. circinelloides встречается на первых стадиях разложения под­стилки и преобладает в почвах с высоким содержанием органи­ческого вещества. Mort ramanniana выделяется в конце разложе­ния подстилки и из верхних почвенных горизонтов. Максимальная радиальная скорость роста у М. circinelloides была на порядок выше (0,530 мм/ч), чем у Mort. ramanniana (0,054 мм/ч). Наблюдается зависимость скорости роста грибов от концентрации субстрата. Так, максимальная радиальная скорость роста у М. circinelloides наблюдалась при 10%, а для Mort. ramanniana — при 0,005% глю­козы в среде, т.е. при резко различных концентрациях субстрата.

Таким образом, показатели скорости роста, определенные для М. circinelloides и Mort. ramanniana, соответствуют свойствам, проявляемым этими грибами в природе.

Интегральный показатель радиальной скорости роста комп­лекса почвенных грибов, выделяющихся на разных этапах сук­цессии, также может служить индикатором стадии сукцессии. Результаты изучения динамики показателя К_т для сахаролитиче­ских и целлюлозолитических грибов различны. Вне­сение в почву глюкозы вызывает 4-5-кратное увеличение К_т сахаролитических грибов, а внесение целлюлозы несколько со­кращает скорость роста данной группы, но в 2-3 раза увеличивает скорость роста целлюлозолитических грибов. Однако К_г целлюлозолитиков значительно ниже, чем у группы сахаролитических грибов. В ходе сукцессии происходят истощение питательных субст­ратов и активизация развития иных группировок, что ведет к относительному снижению роли двух упомянутых групп грибов и понижает среднюю радиальную скорость роста. Следователь­но, A'j является параметром весьма чувствительным к варьиро­ванию условий среды и характеризует изменение комплекса почвенных грибов во времени, являясь еще одним важным пока­зателем стадий микробной сукцессии в почве. Оказалось, что влияние внесения глюкозы в разных типах почв проявляется по-разному. Так, при внесении глюкозы в чернозем К, увеличивает­ся в 4-5 раз, а при внесении в дерново-подзолистую почву — толь­ко в 1,5 раза. Скорее всего это объясняется тем, что эквивалентное по весу внесение легкодоступного субстрата в различные почвы приводит к мобилизации имеющихся в них неэквивалентных резервов питания. Известно, что запас органического вещества в черноземе значительно больше, чем в дерново-подзолистой поч­ве. Кроме того, глюкоза при внесении в почву в рассматривае­мой концентрации (0,1%) расходуется очень быстро — за 1 сут­ки. Максимальный рост мицелия грибов наблюдается значительно позднее — на 3-7-е сутки. Глюкоза является более эффективной «затравкой», чем простое увлажнение или внесение целлюлозы. В процесс также включается использование собственных почвен­ных органических веществ. Большая эффективность глюкозы означает, что в ее присутствии в почве создаются более высокие концентрации простых органических соединений, которые и бла­гоприятствуют интенсивному развитию грибов с высокими зна­чениями радиальной скорости роста. Поэтому внесение 1%-го раствора глюкозы в чернозем и дерново-подзолистую почву вы­зывает одинаковый по направлению, но разный по абсолютной величине сдвиг средней радиальной скорости роста комплекса почвенных микромицетов.

При этом происходит перестройка структуры комплекса, при­чем одному и тому же значению К_х в двух почвах может соответст­вовать разное распределение микромицетов по скоростям роста. Для того чтобы изучить это распределение, было выбрано 15 клас­сов значений радиальной скорости роста колоний грибов, кото­рые захватывали весь диапазон встретившихся в опыте К_х отдель­ных колоний

Сопоставление К_г с распределением микромицетов по скоро­стям роста показывает, что одному и тому же К_г = 0,25 мм/ч, ко­ торое наблюдается в черноземе на 7-е сутки после увлажнения, а в дерново-подзолистой почве — на 7-е сутки после увлажнения и внесения глюкозы, соответствует разное распределение грибов по классам. В дерново-подзолистой-почве доми­нирует класс с низкими значениями АГ_г = 0,10 мм/ч, а в чернозе­ме — класс с более высокими К_т = 0,22 мм/ч, что совпадает со средним К_х Следовательно, в двух различных типах почв отмеча­ется неодинаковая структура комплексов микромицетов по по­казателям скорости роста. Кроме того, было выяснено, что низ­кие значения К_т связаны с преобладанием одного или нескольких классов медленнорастущих грибов. Эта общая для обеих почв закономерность изменяется при переходе К_х в об­ласть высоких значений. В этом случае распределение колоний по классам в черноземе становится более равномерным. Среднее значение К_т совпадает или близко к значению К_г класса, имею­щего максимум колоний.

При посеве на питательную среду учитывается суммарное ко­личество грибных зачатков (споры, мицелий). Для того чтобы определить, происходит ли при повышении разнообразия сооб­щества развитие всех грибов или только тех, у которых высокие значения К_т, необходимо знать общую численность грибов, оп­ределяемую по методу посева, и распределение колоний по ско­рости роста в последовательные промежутки времени. Часто даже может и не происходить изменений в общем количестве грибов, но перестройка в комплексе микромицетов тем не менее наблю­дается: снижается численность микромицетов с низкими значе­ниями К_т, а с высокими — увеличивается. При ини­циации сукцессии происходит прорастание грибных зачатков всех микромицетов, затем грибы с низкими значениями К_т подавля­ются тем сильнее, чем выше нарастает численность грибов с вы­сокими значениями К_т.

В ходе общей сукцессии микроорганизмов в почве после обильного развития грибов происходит развитие комплекса почвенных бактерий и актиномицетов. Почвенные грибы развиваются на первых этапах микробной сукцессии, и их максимальная биомасса на два порядка превышает
биомассу почвенных бактерий и актиномицетов, что позволяет считать грибы абсолютными до­минантами. Грибной мицелий обладает на 1-2 порядка большей линейной скоростью роста (50-1000 мкм/ч) по сравнению с актиномицетами (1-10 мкм/ч), грибы более эффективно колонизуют субстрат. Развитие бактерий и актиномицетов на поздних этапах сукцессии обеспечивается за счет использования отмирающего грибного мицелия. Широко распространенную у актиномицетов хитиназную активность логично связывать с высоким содержа­нием хитина в клеточной стенке грибного мицелия.

Все подходы, использованные для грибов, в настоящее время применяются для актиномицетов. Отметим, что актиномицеты — очень своеобразная и особая в экологическом отношении группа почвенных микроорганизмов, хотя в систематическом отноше­нии они в настоящее время занимают довольно скромное поло­жение как ветвь грамположительных бактерий. Мицелиальное строение придает им особые экологические особенности и де­лает их отличными от прочих прокариот. От грибов их отличает то, что они являются прокариотами с более тонким мицелием (тоньше в 5-10 раз) и относительно низкой скоростью роста.

Таким образом, К и К_г являются важными количественными критериями, которые позволяют регистрировать сукцессионные изменения в комплексе почвенных микроорганизмов. С помо­щью этих показателей и анализа динамики микробных группи­ровок оказалось возможным показать, что после внесения раз­личных органических веществ в одной и той же почве могут складываться сообщества разной степени зрелости. Внесение глю­козы создает наиболее незрелую стадию микробной сукцессии, внесение целлюлозы — более зрелую. По мере удаления от мо­мента внесения органического вещества в почву возникает все более зрелая система.

Рассмотрим группировки микроорганизмов и характерные показатели для почвы, в которую внесены глюкоза или целлюло­за. Показаны границы варьирования численности микроорганиз­мов различных групп, минимумы и максимумы численности раз­ных групп микроорганизмов. Видно, что I и II группы резко различны по всем показателям. В этих группах скорость роста также различна. Результаты определений показа­ли, что 1 группа обладает признаками г-стратегии: высокими по­казателями удельной скорости роста, приуроченностью макси­мума развития к начальным этапам (отсутствие фазы задержки роста), широкой амплитудой колебаний численности, приуро­ченностью максимума численности к одному промежутку време­ни, которая может рассматриваться как отсутствие жесткой кон­куренции между ними, активным освоением легкодоступного субстрата, быстротой роста на обычных питательных средах.

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

Признак	I группа	II группа
Размах варьирования чис­ленности	более высокий при вне­сении в почву глюкозы; абсолютный размах варьирования более высокий	более высокий при внесении в почву цел­люлозы; абсолютный размах варьирования более низкий
Отношение размахов варь­ирования численности при внесении простых и слож­ных веществ	более высокое (2,1—7,7)	более низкое (0,4-0,54)
Субстрат, при котором достигается максимум чис­ленности группы	простое, легкодоступное вещество (глюкоза)	полимер (целлюлоза)
Соотношение максимумов численности, достигаемых при внесении простого и сложного веществ	более высокое (2,5-6,5)	более низкое (0,47-0,63)
Временная приуроченность максимума	при внесении глюко­зы — начальные этапы, при внесении целлюло­зы — поздние этапы	поздние этапы после внесения глюкозы и целлюлозы

 

Удельная скорость роста бактерий ц (ч~') и радиальная скорость роста грибов А, (мм/ч) при внесении целлюлозы и глюкозы

Группа микроорганизмов	Целлюлоза	Глюкоза
Бактерии (среда МПА) Целлюлозоразлагающие бактерии Сахаролитические фибы (среда Чапека) Целлюлозоразлагающие фибы	0,021 0,041 i 0,230 0,320	i 0,057 0,021 0,540 0,200

 

Микроорганизмы II группы проявляют свойства, присущие орга­низмам с К-стратегией.

Показатели К и К„ преимущественное развитие Г-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 органи­ческих веществ. Глюкоза способствует развитию ограниченного числа преобладающих групп, которые создают наибольшую био­массу. Внесение целлюлозы вызывает развитие более разнооб­разного сообщества, о чем можно судить по всем приведенным показателям.

Указанные количественные критерии могут использоваться в качестве индикаторов состояния микробного комплекса и эта­пов сукцессии. Например, изменения показателя К во времени не совпадают для сукцессии в почве с внесением глюкозы и цел­люлозы. Вместе с тем наблюдаемая общая картина в обоих вари­антах в полной мере согласуется с представлениями о зависимо­сти К от времени. Более низкие значения К регистрируются на первых этапах сукцессии, когда система относительно проста и идет r-отбор микроорганизмов с высокими скоростями размно­жения, о чем, в частности, свидетельствует высокое значение К, Затем наблюдается увеличение К в результате усложнения систе­мы с проявлением активности другими популяциями. При этом снижается скорость размножения и соответственно К_г убывает. Тот факт, что используемые показатели в вариантах с мономе­ром и полимером численно резко различаются, указывает на их высокую вариабельность. Таким образом, появляется реальная возможность целенаправленного создания в почве определенно­го этапа микробной сукцессии.

Межорганизменные взаимодействия

Взаимодействие микроорганизмов с растениями

В результате проявления разного типа взаимоотношений между живыми членами биогеоценоза создаются особые функциональ­ные единицы, названные консорциями. Учение о них было со­здано в 50-е годы XX в. ботаником Л.Г. Раменским и зоологом В.Н. Беклемишевым. Под консорцией в биогеоценологии по­нимают совокупность популяций, жизнедеятельность которых определяется центральным видом — эдификатором. Обычно это автотрофный организм — растение, которое образует ядро кон- сорции. С ним связаны разные гетеротрофные организмы, обра­зующие вокруг центра круги 1-, 2-, 3-го порядка и др. (концент­ры) в зависимости от степени их связи с эдификатором консорции. Консорты разных кругов последовательно разрушают органиче­ские вещества, созданные центральным видом и другими авто- трофами, и используют заключенную в них энергию. Они зави­сят от основного вида либо энергетически, либо топически, либо от того и другого вместе. Среди консортов различают следующие функциональные группы (поТ.А. Работнову): биотрофы питаются тканями живого растения, эккрисотрофы используют выделения живого растения через корни и листья, сапротрофы разлагают мертвые ткани растения. Кроме того, в удаленных концентрах есть паразиты животных и паразиты паразитов.

Растения всегда тесно взаимодействуют с различными груп­пами микроорганизмов (бактерии, актиномицеты, грибы, дрож­жи). Осуществляется тесное взаимодействие с беспозвоночными и позвоночными животными.

Основные группы микроорганизмов: 1) симбиотические, 2) па­тогенные, 3) ризосферные и ризоплановые, 4) эпифитные.