Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ДИНАМИКА РАЗЛИЧНЫХ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ В ПОЧВАХ

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "ДИНАМИКА РАЗЛИЧНЫХ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ В ПОЧВАХ"



МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛБ1ЙНА,ОРДБНЛ ОСГЯБРЬСКОЙ > ' " ГСВОЛШМ. ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМВШ ГОСУДАРСТШЙПШ УНИВЕРСИТЕТ им.М.В.ЛОМОНОСОНА

Факультет почвоведения

На правах рукописи

ЯАНЧИВКИНА Марина Борюояка

УДС 631,46:576.851.155

ДИНАМШ РАЗЛИЧНЫХ БАШНШЕЬШХ ПОПУЛЯЦИЙ В ПОЧВАХ

Спвщшяыюсть 03.00,07 - МПЕрОбЖШОГКК

АВТОфвфврЮ дяеовркцжк на оояскаявв ученой степени кандидата йшмоппеаках наук

МОСКВА - 1997

Работа выполнена на кафедре биологии почв факультета почвоведение Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: доктор биологическая наук, профессор Д.Г.Звягинцев.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, ведущий

Ведущее учреждение - Московская сельскохозяйственная академия км. К.А.Тюлвдяэева.

К053.06.86. по микробиологии а агрохимии в МГУ им. Н.В.Ломоносова ■в аудитории М-2, адрес: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан .. Л98 t года.

научный сотрудник В.М.Горленко: кавдидат биологических наук, старший научный сотрудник Л.Л.Великанов. .

1988 года.

в "

часов на заседании специализированного совета

Ученый секретарь специализированного совета -доцент

И.П.Байьева

.•■■■■■ Актуальность ппоДдет. Интерес к изучению почвенных микроорганизмов в значительной! степени связан с задачей повышения поч-■ .венного плоиородпя. Эту задачу, связанную ^с управлением определен- ■";

'. ными желательными или нежелательными микроорганизмами в природной , Череде,-невозможно:решить без понимания закономерностей, которые :■■■'.' определяют ^ структуру микробного Сообщества. Поскольку полное опя- ' садаге всех эле(<ентоа микробной системы и их динамихя в почв® пока V не представляется возможным,то.целесообразно следующее решение '.-■-■ ' задачи: используя несколько различных микроорганизмов, исследовать .особенности динамики камой популяция при раздельном внесения ,в '; почву иля ризосферу, а затем изучить динамику и структуру комплекса тех же микробных популяций, внесенных одновременно. ■.-. ,

Цель ■работы. Целью работы являлось изучение динамики числен- • ностя я структуры комплекса бактериальвдх популяций . РзвиЛотопаз , " - denitrificaив,, АаМ;11ГОЬае£ег 51£>Ы^огв1в,' НЬХаоЫил 1вБШо±пазагиа, • ' АаогоЪас^вг ' «Ьгоососсиш внесенных раздельно и совместно в раз- 1 'личные почвы, при выращивания на них разных растений. ■ ' , '

- 'Основные эаггацц исследования. 1.' ^учение особенностей дика- ■■"''.■. > шкя-численности и определение экологических стратегий популяций. ■ псевдсшна^а,/клубеньковых бактерий, азотобактера и артробактерау в различных почвах. 2..Изучение,динамики численности, относительного обилия, индекса разнообразиям структуры, комплекса указанных ■ ; ■ бактериальных популяций,. внесенных одновременно в чернозем, деряо- . '',"„■ во-подзолястув почву и прикорневую .зону ячменя и гороха. 3. Опре-. '- деление типов динамики численности указаннше йактерлальню: попу--ляаяй в почвах. . ' ' - .. V ■ ■ ^ 'у . .',-.

. Научная новизна. Впервые¡ определено относительное похожаияе

; ' четырег бактериальных популяций в г-к »континууме экологических : стратепй друг относительно друга: наиболее выраженные свойства V : '' ^-стратегии проявляет популяция псевдомонаса^ следом за ней расго-

■'■. ■'. :-/:у ' -". ■ Ылатрапкая^ ■ - - ,

- _ .:.'' '.-. \ ■ ' ^У'Ша■ С*;;»^-.-«^ \ - ? . "..■'. '■''..-.'■.;:'■. \ ..

■■-:'.■.■ . ' " '.(■■■■ ■■ "Л'".' . . :.;

■.■■:■ ■■"*■■-■: ! кв. к. а. г

латается популяция ^клубеньковых бактерий с менее выраженными про-;

■ явлениями ' г-стратегки, далее идет популяция азотобактера ©промежуточными" свойствами л, наконец, ряд замшсает популяция артробак-тера с выраженной К-стратегивЙ. Впервые с использованием нового методического подхода изучена "динамика численности нескольких бактериальных популяций пря-roi совместном внесении в различные. почвы я,прикорневую зону растений, что позволило провести анализ особенностей структуры этого бактериального комплекса и проверить возможность прогнозирования структуры на основе относительной экологической стратегии входящих в;него бактериальных популяций.

■ Впервые получена объективная классификация типов динамики числен; ности.бактериальных популяций в- почвах на основе анализа их фазовых портретов. < * "■ 7- .'-■". :

•Практическая ценность. Предложенная нами классификация типов динамики численности бактериальных популяций может применяться при выборе тактики управле ния,. желательными и нежелательными популяциями в природных местообитаниях, подборе популяций в качестве возможных бактериальных удобрений. Предложенные способы анализа структуры интродупированных бактериальных"комплексов позволяют устано-; вить стадии микробной-сукпессии э почвах, оценить взаимодействия ~ меаду.различными бактериальными популяциями и комплексом почвенных. микроорганизмов, в также' определять насколько достоверно прогнозирование динамики численности на основе экологических стратегий в ; случае внесения нескольких практически ценных популяций бактерий ■ ; совместно в вида комплекса. Полученные результаты используются в курсе "Экология почвенных микроорганизмов" на кафедре биологии • почв факультета-почвоведения МГУ.\"'■;. . .; : 1

Аптюбапия работы. Осноатше положения диссертации были доложены на Всесоюзной научной конференции _ "Агропочвоведеииё и плодородие ■ плчв" ( Ленинград. 19SS), на 111.Всесоюзной научной конферендаш

"Микроорганизмы в сельском хозяйства" С Москва, 198ф , а также на заседаний кафедра биологии почв факультета почвоведения МГУ.

ПуАггакашга, По теме диссертации опубликованоработ. * (У!т>пм тботы. Диссертация состоит из введения. Q глав, ■заключения,'.'выводов. Материалы диссертации изложены на Страницах машинописного текста, содержится рисунков, / таблиц, списка литературы из № названий,'из ишх jfrf- зарубежные.-•: . 0Б7ЕК1У И МЕТОДУ ИССЛЕДОВАНИЯ.

: В работе исследовались образцы дернового горизонта С А-Й-Ю) см) типичного чернозема, мощного,' среднесуглинистого¿ на покровном суглинке ( Воронежская обл. , пос.Хреновое ) а образцы дзрнового горизонта ( А-( 0-5 Зсм дерново-лодзолистой почвы, среднесуглинистой на покровном суглинке, подстилаемом красно-бурой мореной ( Московская обл., пос.Чашниково X Для■опытов'отбирали средние пробы почва, удаляли корни и просеивали через сито сотверстиями в 1 мм.■

. В качестве объектов1 исследования были избраны популяции бак' ' 1 ■ ' .I--''..

терий; Peeudomonaa denitrifioane пгг. ВКМ-892. ЕЫгоЫии leguoi.no-вагим пгг. ZK с Латвийская с/х академия ), ; Asotobacter chroococcum шт. НСЛ-888 , Arthrotacter giobiforeio шт. ВКМ-655.

Б опытах с раздельным внесением популяции вносили в - почвенные об-раэда на двух начальных уровнях численности. В серии опытов rio оцеп ке(приспособленности бактериальных популяций к разным этапам'мгик-!Ро6ной сукцессии.в почве популяции вносили на О, 3, 7, 15, 30 \ сутки сукцессии.. Сукцессию инициировали увлажнением.воздушно-сухой почвы и увлажнением с одновременным внесением глюкозы. ; 1 ■ '

; - Бактерии учитывали посевом с использованием метода генетггчес- ■■ кой шркяровкя. Использовала, пггаммы устойчивые к концентраЕцти . V стрептомицина 1000 мкг/мл среди (Класен/ 1974). Учет проводили на МПА для популяций артробактера,и псевдомонаса, на бобовом агаре ' для клубеньковых ,бактерий, на сраде" Федорова для; популяции азото-

бактера»

Для изучения структуры комплекса все укаэанвыэ бактериальные популяции вносили одновременно' в ойразш чернозема я дерново-ггад-золистой почвы, а также в ризосферу и ризоплану ячменя и гороха, , выращиваемых на черноземе. В этом случае популяцию псевдомонаса учитывали на ША с пенициллином (1000 мкг/мл среды), РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Особенности дщастхи численности ,банте шальные" популяций,,, при раздельном рнесвнии в по^ш

Динамика численности внесенных раздельно-бактериальных попу, ляшгй изучена в образцах стерильного и нестерильного чернозема и стерильной к нестерильной дерново-нодэолистой почвы* .

Ктгубенъковне бактетжи. Динамика' клубеньковых бактерий, как я динамика артроб актера весьма подробно описана в ряд» работ (Кочкина, 1981;'Кириллова, 1983; Кожевни, 1979), В обоих случаях популяция стабилизируется в нестерилвдой почве, причем для клубеньковых бактерий свойственна большая амплитуда изменений попу-. ■ ляцконной

плотности. Подтверждая это принцллиальноо положение, мы, вместе с .тем, основное внимание уделили вопросам, которые до нашей работы практически не исследовались. В случае с клубеньковыми бактериями нерешенными оставались вопросы количественного отисания динамики численности популяции н особенностях динамики в различных почвах. ' -

' При исследовании динамики популяции Шаг obi.ua 1еешЕ1ас>авгшл в нестерильных почвах в ряде случаев удается выявить увеличение плотности популяции в благоприятных местообитаниях. Продолжительность этапа увеличения популяции обычно составляет 5-10 суток. Именно »тот этап может оказаться решагацим' при взаимодействии популяция с растением-хозяином. Отсюда ясна необходимость соответству-щего количествеиного описания динамккй рассматриваемой популяции

в природном местообитании для прогнозирования и управления про- -цессом инфицирования.- ч - " - ■ 1

; Для количественного описания ограниченного роста пригодно логистическое уравнение: ■ ■'■

■.■..V. -. V- .. У-^-ИГ : -V ' ;.■

где"численность популяции в идагент временя ¿ , "емкость

среды".или максимальная равновесная плотность популяции, Ч> - по- ' казатвль скорости роста,'¿й — постоянная. Для определения парашт- -ров используется следующая форма записи уравнения:

На- основе вспомогательных графиков'в этих координатах получены■ конкретные значения X/ и & для каждого из вариантов, что позя»- т лило.дать.уравнения логистического роста и построить на их основе, расчетные кривые (рис.1), - ' ' ' ; ■ г

Следует отметить, что уровень стабилизации популяции в почвах заметно зависит.от начального уровня популяоиотюй плотности. Между тем, хорошо известно, что в жидкой среде независимо от начальной- численности обеспечивается елшная максимальная для данных условий, концентрация биомассы. Для выявления зависимости" мевду "ем-1 костью среды" и начальным уровнем популяционной' плотности проведен регрессяонвдй анализ и установлена прямая положительная тесная . линейная корреляционная связь медяу величинами' ££ и^И^как для -дертово-псязолистой' почвы, >ак" и дм чернозема,- Поэтому можно предположить , что пргг низком начальном' популмдионном уровне из-за гетерогенности среды и пространственных ограничений популяция не . '. способна самостоятельно освоить все: имеющиеся, благоприятные микро-зоны,-в которых удается выявить развитие при более обильном вне--; сении.: Если сравнивать стерильные и нестерильные образцы почв,.по

- б -

Рис.1. Экспериментальные точки и расчетные кривые на основе логистического уравнения для популяции ШгоМчя 1е£цт1поза1Ч1П> в нестеркльномС а) и стерильном (Й ) черноземе.

в нестерильном черноземе (а) я парново-подзолистой почве Й ).

7r отношению ^¡^ • то стерильная почва занимает промежуточное аоло-- женив между лабораторной средой и нестерильной рочвой по степени /.-'; их гетерогенности для популяции клубеньковая бактерий. "

1 Псевдомонас. Динамика популяции Pseudomonas denitriílcans ; ; • изучена нами в;стерильных и нестерильных образцах чернозема и '.'■'•■V-дерново-подзолистой почва. Все, четыре- местообитания 'оказались V' : ' благоприятными для данной популяции (рис.2). В начальные'сроки '../'.>.

■'■'■< опыта практически во'всех вариантах отмечено развитие популяции, \ V ■ л - причем по масштабам процесс кашого превшал размножение клубень^ ■'■'.'■' ковых бактерий^ Наиболее интенсивное развитие популяции наблюда-', ,. • лось в стерильном черноземе. При начальном уровне 7,30'Ю5 кле- ; ■ ток/г почвы к 10 суткам плотность популяции возросла более чем в 4500 раз. Сходная картина, но с менее высокими темпами развития, -: наблюдается и при внесении популяции в нестерильный чернозем. ; В ' варианте со стерильной дерново-подзолистой почвой.в отличие от ва- ' . , рианта со стерильным черноземом интенсивный рост прекращается ' / . практически yate к 3-5 суткам опыта. Несколько отличен от остальных, ■вариант с нестерильной дерново-подзолистой почвой. В этом случае : заметно более низкими оказались масштаб« развития'популяции в у V; начальные сроки, .численность популяции не стабилизируется на еди- • :

. ном уровне, а для кавдого уровня внесения характерен свой уровень ; . стабилизации. Во всех остальных случаях зарегистрирован практи- ¿ чески единый уровень конечной численности вне зависимости от ио*» ■* ■: ходного-обилия, что раньше не отмечалось для других микроорганиэ-: • ■ мов,1 динамика которых изучалась в нестерильных почвах. 1 •

- ■ ' Азотобактер. Динамика популяции азотобактера, в почве до нао- . - таящего времени плохо изучена. В нашей работе-количественный учет проводили параллельно■ методами посева и иммунояшинесценции» - Для ■ надежного учета клеток. Ajotobacter.glabíf. с цомощыо -/■' .им»^ол)м1пшесценцт'.получена сыворотка, выбран оптимальный режим

окрашвания клеток и проверена специфичность иммунолюминесцентного окрашивания»/Максимальное специфическое свечение наблюдалось у гомологичного штамма, клетки которого использовались для иммутаг- ■■ эадии." Вмостё с тем, установлено наличие, перекрестных реагаий -'■;■■■ меяду разными представите.пямй этого рода, что связано о .наличием . обшях термостайвльных антигенов у представителей данного рода.Пе-рекрестных реакций с-другими микроорганизмами не обнаружено.

Днвамика численности популяции Aaotobacter chrooeocoum , в ^ нестерильном черноземе изучена на высоком исходном лоцуяяционном уровне (рис,3), Установлено," что в течение месяца численность популяция азотобактера остается высокой, что подтверждается как методом.посева* так и методом иьмунолюминесценции. Морфологическая структура популяции сложная и меняется в ходе опытов; что прослеживается по соотношению одиночных;и "двойных", клеток-Б опытах о тиетой культурой ; in vitro установлена прямая положительная связь «елну процентом двойных клеток и удельной скоростью роста, 'что > «ют возможность по морфологическому критерию ориентировочно су— 1 ить о темпах развития популяции азотобактера' в почве,

(■ Атггтобаятер. • Особенности динамики изученной нами популяции rtbrobecter globifomtis » включая низкие или" отрицательные по-Азатедл набякщаемой удельной скорости роста в первые часы после несения популяции в почву, полностью-соответствуют имеющимся в атературе сведениям (Кочкина ,1981), -". ' : : "■..'.■' ~: .. ч'

'• Относительная экадогическад стратегия поптляшгй ' .V : Характер динамики численности иссяедуемьк популяций в почвах . называет на несовпадение 'их экологических стратегий.- Уточнить дологическую стратега» указанных микроорганизмов с определением с положения друг относительно друга в r-к ронтинууме стратегий, лно посредством анализа приспособленности каждого яэ изученных пфоорганизмов к-разным стадиям микробной сукцессии в почве по

Ofii' ЦОЧ с,оз 0,01 0,01 о

-ВД1 - 0,01

Рис.4. Изменение наблюдаемой удельной скорости роета популяций на разних этапах микробных сукцессяй, инициированних увлажнением' почем ta) и внесением глшоэн (й),

1i- Paeudomonaa detiitrificans, 2 - Arthxobecter globiforaie, 3 - Rhizobium ieguaiinosartm, .4- - -Azotobacter chi-oocoociun.

наблюдаемой удельной скорости роста, отражающей усредненную1ре-: .■'■;., акцию клеток на изменение условий в среде (рис.4). /

Популяция псевдомонаса по наблюдаемой удельной скорости-'роста ■ является несомненным лидером среди изученных популяций микроорга-;'низмов: В наиболее благоприятные для этой популяции начальные . стадии микробной сукцессии в почве показатели скорости роста, достигают 0,038 и 0,044 ч""* в вариантах с увлажнением я внесением ;.' глюкозы соответственно. Максимальное значение наблюдаемой удельной скорости роста зарегистрировано сразу после инициации микробной :\ сукцессии в почве"при внесении глкжозн, т. о .в условиях наибольшей ненасыщенности комплекса почвенных микроорганизмов. Наименее благоприятны для популяции псевдомонаса поздние стадии микробной сук-; цессии в почве. . ■ . ■.."..' :

Наиболее благоприятным для клубеньковых бактерий, такие, является начальный этап сукцессии. Наблодаамая удельная скорость роста в этот момент достаточно высока (0,01 и 0;0Э ч"1 в вариантах с ' увлажнением и внесением глшозы соответственно)» но уступает аяа- ■ логичным показателям .скорости роста популяции псевдомонаса. Худай-ми для популяции клубеньковых бактерий' яьляются поздние - стадии микробной сукцессии. . -■■■.'.. ■ . -

.. За клубеньковыми бактериями в континууме стратегий следует азотобактер. Наблюдаемая удельная скорость роста в момент инивда-. ции микробной сукцессии у азотобактера не так внсска, как у популяций псевдомонаса и клубеньковых бактерий'и составляет0,0121/ч~1.. Для азотобактера благоприятна я промежуточные стадия микробной сукцессии (7 сутки);" а наименее благоприятны 3 сутки с момента инициации микробной сукцессии. Для артробактера характерно преобл»-' дание процессов гибели над размножением, в большинстве вариантов наблюдаемая удельная скорость роста у этой популяции-отрицательна. Дм "артробактера более благоприятныпоздние, стадии микробной суя-

- ; о - и ■ . :

■' цессия в почве. ■ л v :. .

Полученные результаты позволяют определить относительную : ' ■экологическую стратеги» микробов, Наиболее выраженным .^-стратегом является популяция исендомонаса, способная it популяционному '"взрыву" на первом этапе сукцессии. Далее располагается популяция '-клубеньковых бактерий, которая также предпочитает условия ненасыщенной системы, но уступает псеадомонасу по наблюдаемой скорости роста. За клубеньковыми,бактериями следует популяция азотобактера, которая характеризуется заметным сдвигом в сторону К-стратегии и занимает промежуточное положение. Наконец, популяция артробактера . по скорости роста н приспособленности к поздним этапам сукцессия . является наиболее выраженным К-стратегом.

Таким образом, широко используемое в экологии микроорганизмов, - представление об экологических стратегиях имеет относительный ха-; рактер и оказывается полезным, - если указано относительно каких именно.популяций определена стратегия исследуемого объекта.Напри- -мер, в данном случае клубеньковые бактерии по отношению к псевдо/ монасу являются К-стратегом, а по отношению к азотобактеру н артро-Оактеру -. г-стратегом.. -:'■'■ \ ■

,В соответствии с предвоайнной схемой можно дать,прогноз рас--писания,развития указанных бактериальных популяций » ходе микробной сукцессии в почве.,В момент.инициации сукцессии преимущество.. получит популяция псевдомонаса и несколько в меньшей степени клубеньковые бактерии,' На следующей стадии возможно.увеличение численности популяции азотобактера. Для популяция артробактера наи- : лучше условия наиболее-вероятны на поздних стадиях сукцессии. :.... Однако такого рода прогнозы, построенные.на основе информации : ■ о динамике популяций при их раздельном внесении в почвы, следует провертть в условиях, когда в местообитании присутствуют одновре-. менно все исследуемые популяции. В этом случае внесенные михроорга-

низда могут взаимодействовать не только с почвенными микроорганизмами но и друг о другом. Поэтому характеристики комплекса ин~ , тродуцированных1популяций и его структура представляют отдельный интерес при изучении механизмов регуляции численности микробных

г -

популяций в почве.

; Т^ы динамики бактериальных популяций в почвах |м

В последние годы интенсивно изучается динамика популяций различных микроорганизмов в природных местообитаниях, что позволяет поставить вопрос о выделении типов динамики. Классификация типов динамики микробных популяций необходима дан понимания их экологии, управления численность», выяснения структуры микробного сообщества и его устойчивости. Полученные нами экспериментальные данные позволили подойти к решению этой задачи,. С этой целью проанализированы имеющиеся траектории зависимости численности популяций артробактера, псевдомонаса, клубенысовых^бактерий и азотобактера от времени в' разных местообитаниях. Частным примером, от- , ражакнцим характер полученной информации, может служить динамика, объектов в нестерильном черноземе после увлажнения воздушно-сухой почвы (рис.5а). Чтобы перейти к классификации типов динамики использовали фазовые портреты, которые отражают зависимость наблюдаемой скорости роста > от плотности популяции С рис.56). Чтобы прозе сти сравнения анализируются наборы натуральных чисел - признаков, готорне- сняты с траекторий. Одно из возможных решений классификэ-Ш1 типов динамики может быть связано с выявлением группировок >бъектов при помощи кластерного анализа* Чем ближе друг к другу эаспайозсены объекты по снятым с траектории признакам, тем вероят-гее. что они образуют однородную экологическую группу.

И в черноземе и в дерново^подзолистой почве объекты образуют 'ря группы С рис.6). Однородная группа фазовых портретов артробак-

-<m

\ 6 ■

^ . ? Л

\. ■ \ V

Ф-. Л' .

Т « У> 8

\

\ *7' V Э *

«■.--в ¿.л*

30 .----*15

■ J0

Рис.5. Динамика численности raj и фазовые портретагб;> популяпий микроорганизмов в нестерильном черноземе. ■

1 - Fseudomonaa dani-trif loans, 2 — Arthrobaoter globiforais, . ., 3 - Hbizobium leguminosarutb, 4 — Azotobecter chroococcun.

ft ■ a s A 7 : 12 11 5 e ю s 6 ■ ts js is (

2 ''e 12 J ? -I 9 i1 4« 10 (i d 1$ 5 u - (6

ЧГ

\

z 0

OA 0,6 u

-2,0

Рис.6. Дендроградаа кластерного анализа дянашки бактериальных

популяций в' почвах. ' ■'"'■ 4

а}- 1.-группа артробактера, 2.-группа псевиомонаса и клубеиъковнх

бактерий, 3.-группа азотобактера в чернозема,

б)- I.-группа артробактера, 2.-группа псепяомонаса, З.-группа

азотобактера и клубекькокшг бактерий в дерново-подзолистой почг>е„

тера во всех - местообитаниях обособлена от других объектов и соответствует типу динамики численности," который характеризуется небольшими колебаниями числеивйоти'папуляшяж около равновесного : ; уровня. Группа популяций псездомонаса и клубеньковых бактерий в черноземе и исевдомонаса в дерново-подзолистой почве принадлежит к типу динамики численности популяций со вспышками массового, размножения. Группа, в которую вхолит^популяши азотобактера в , - : черноземе, я популяции азотобактера и клубеньковых бактерий" в. дерново-подзолистой почве относится к типу динамики численности о г. возможность» умеренных колебаний:около равновесного уровня, но-без вспышек массового размножения. ,Отметим, что динамика численности пойуляции клубеньковых бактерий в черноземе соответствует од- '■'/. ному типу,1 а в дерново-подзолистой почве другому. Очевидно, в дерповочтодзолистой почве вотличие от чернозема, клубеньковые бактерии не находят достаточное количество микрозон для массового размножения» тогда как псевдомонас реализует эту возможность и в черноземе, и в дерново-подзолистой почве. ■. : >

■'■- ( Рассмотрим подробнее особенности файоваго портрета популяции со взршшм типом динамики численности (рис.7Х Развитие популяции начинается вследствие действия факторов.внешней среда, регу-лирувдее действие которых не'связано с параметрами популяционной плотности., Фаза нарастания численности популяции С1-3). характе- " V-ркзуется тем, что внутривидовые механизмы способствуют увеличе-нив численности популяции. Далее начинается фаза максимума вспыш- ■. кя С 3-5), это зона включения механизмов снижения удельной скорое-' ■ ти роста популяции за счет конкур^Щии,. пр»г переходе к фазе 'разреживания С 5-73 естественные враги.популяции'наращивают свою численность, обеспечивая переход траектории-через прямую у=0. Далее популяции проходят фазу "депрессии"..которая характеризуется пре-. дельно низкими наблюдаемыми удельными скоростями роста. После вы-

хода из этой фазы популяши постепенно возвращаются к стабильному, состоянию, при этом сначала повышается скорость роста (9-15), а

■ затем численность популяции постепенно стабилизируется ,(15-30 5 •

'■/... Существенно, что проведенный анализ имеет объективный харак-- тер и основан на информации о динамике популяций непосредственно в . почвах. Полученная классификация типов динамики может быть сопоставлена с имеющимися теоретическими представлениями об экологи— . ческкх стратегиях. Популяции со взрывным типом динамики, в нашем случаепопуляпии псевдомонаса и клубеньковых-бактерий, проявляют черт г т-стратегки. Популяции с ■ типом динамики азотобактера, про- ' ходящие только трт стадии при увеличении численности, проявляют свойства К-стратегии по сравнению с указанными выше популяциями..V Популяция артробактера.характеризуется наиболее выраженной склон-:

■ ностьга к К-стратегии не. только по отношению к популяциям взрывного типа, но и умеренного. ' V'"*': .■ ■■.' :

■ Комплекс бак-рерЩ р ет^ стртв^ура ?<?рме судом внесений ;■ - ; попташий в пригодные местообитания ■..■.:..

Динамика обшей численности комплекса : ,

Важным и информативным показателем для выявления специфики различных почвенных местообитаний оказалась динамика: суммарной , -■ ■ ' численности комплекса популяций: Рави&ошопаа. с1в1Ц.йг1Г1овйа,-Аг'ЁЬгоЬаоЪег е1оЬ1Гого)1в, КЫгоЫша 1ееиш111ов&П1т, Аао*;оЪа<^ег ' сЬгоососсмш . В этом случае мы имеем дело не с динамикой одной ин-дикатортой популяции, обладающей определенными экологическими* ■ . ' свойствами, а с суммарным зондированием почвы четырьмя разнохарактерными бактериальными,, популяциями, дающим как бы усредненную ян— формацию ,об исследуемом местообитании (рис.8). Численность комплекса 'существенно возрастает через,неделю после внесения во,всех ;.. г - местообитаниях как в черноземе, так и в дерново-подзолистой почве.

1 ♦ -'16'-

г Пч

V

Ц06

0,0*

0,0(1 0,04

А

ш \ V №

0,01

0 У^! 1 кл/гЛ 0

5,3 . 7 0'ГзоУйД8,5"

•ДО! - \-Д Ал " 9 7 \1 •щ

-Щ -В,02

' • Ф ;

Рис.7, Фазовые портреты лояуляяий Рве иа от опав 4вп1*г1Г1сви>а (а) и Khizobi.ua Аввгиааповагаа (б) в нестерильном черноземе на двух уровнях внесения.

^Ы [кл/г]

10

10 -ь

СУТКИ

2

50

СЧТКИ

Рис.8. Динамика суммарной численности комплекса бактериальных-популяций в нестерильных (&) и стерильных (в) черноземе П..} и дерново-подзолистой почве (2) ,

>а затем постепенно снижается'« 30 суткам. Масштабы развития « конечные значения численности в черноземе во всех случаях превышали таковые в дерново-подзолистой почве. Таким образом, комплекс популяций оказался весьма чувствительным индикатором, показавшим, :^ что количество благоприятный микрозон в черноземе значительно : . превышает таковое в дерново-подзолистой почве. - : ' ,

Однако наибольшей интерес представляет сравнение динамики Л . ;■■■;комплекса■в стерильных и нестерильных почвах. Установлено, что, по ' - крайней мере, - в'течение ''первой недели эксперимента показатели -численности в стертльных и; нестерильных образцах почвы одного тимпане различаются. Только в поздние сроки в нестерильных образцах отмечается относительно небольшое снижение обилия, более заметное

■ в дертово-подзолистой почве. Очевидно, в условиях,эксперимента в рассматриваемые сроки при внесении популяций в мошнт шшцшции сукцессии почвенные микроорганизмы не являются фактором, который определяет динамику суммарной численности комплекса рассматриваемых популяций. Поэтому есть основания полагать, что более значимыми в, этом отношении представляются внутри- и межпопуляционные

., взаимодействия.внесенных популяций, т.е.1 структура рассматривае-ыого комплекса в первую очередь должна определяться указанными " механизмами регуляции. ■:■ ..-.■".":" ... .л ..

. Структура комплексами почвах и в прикрсндвой зоне' У-

. -.'.■■','-.■ ; расудний ■','..■; 1

;На начальных стадиях микробной сукцессии в'Черноземе во -■всех,местообитаниях в комплексе преобладает популяция псевдомона-;' са (ряс.Одновременно увеличивают свою долю в общей численности и клубеньковые бактерр!, в.,то же время популяции азотобактера и артробактера составляют незначительную часть,микробного комплекса. Соотношение видов в'комплексе, начинает изменяться с 15 су-

■ .ток опыта. В итоге через месяц'относительное обилие псеадомонаса•

значительно-снижается и не да много превышает .таковое других популяций. В стерильной почве за доминантом следует популяпия азо- .. тобактера, , а клубеньковые бактерии занимают 3 место. В нестерильной почве значительно возрастает доля клубеньковых бактерий; причем эта популяция достигаем уровня обилия псевдомонаса в варианте с увлажнением почвы ила даже превышает его в варианте' с•внесением . глвжозы. Доля. артробактера незначительно увеличивается' только на поздних стадиях микробной сукцессии. X.". V :

'.'■.:; Указанные закономерности наблидадись в стерильных и.несте-рильных;образцах дерново-подзолистой почвы. -В стерильной почве ;/' через 30 суток зарегистрирована равнбзначимоеть преобладающих по- " луляций псевдомонаса и азотобактера: В нестерильной почве нал-_ большее обилие у популяции клубеньковых бактерий; за ней следует . популяция псевдомонаса. Популяция артробактера незначительно увеличивает свою "долю лить к концу опыта.'Отметим,'что,только через -30 суток выявляются заметные различия в структуре внесенного бактериального комплекса в стерильных и нестерильных почвах, так в стерильной почве'популяция псевдомонаса по-прежнему остается доминантой, за ней следует популяция азотобактера, а'для клубеньковых бактерий благоприятнее оказались нестерильные местообитащя. • ^ ■ Для анализа стигктуры комплекса сравним кривые значимости видов С рис , 10). Оказалось, 'что' через 7 суток после инициации, микробной сукцессии в почве структура вносимого,комплекса в первом при-; ближении описывается геометрическим рядом (модель Мотомурц). Эта модель, основанная на гипотезе, перехвата ния, предполагает явный доминант, в нашем случае; это популяция псевдомонаса, которая занимает .значительную часть пространсй^ ниш и'создает больщу» часть . • продукции сообщества. Популяция клубеньковых бактерий занимает аналогичную часть оставшегося пространства ^ киши. Следующая попу- ■■ ляпия азотобактера занимает аналогичную .часть пространства ниши','.< -

этап сукцессии (сутки) относительное обилие- популяций во енесшом комплексе рактьрий

«ephö3em дерново-подзолистая П0Ч5А

стбсшльнь^ ¡(вмжнёнис сгерил(,ный, ¡/влажнекие + глюн03а неиерильник, иелаансниё hectepcwfchwi, гмжоэа стерильная , я6ла»некие стерильная, у5дджчение + галк03а пбперильнля, нестерильна!», «0лажнемме-»-глюком

'3 — ж. — — гтттйэтп г- 1Шп 1-1 Ж,

7 mitVim гтпшт тггг^гг-,

■ 15- ; тлШгЪ п г— тШ

30 - • raizFl 1-1 г^Ш - 1 rufe IFiJn г iini/v!--! гА г

■Рис.Э; Структурные изменения в комплексе бактерий в черноземе и дерново-подзолисто! почве. D -Pseudomonas, denltrifle ens, Ш -Arthrotaoter globlformis, fä -ЙМгоЫш leguninoearum g].-А. г о tot act er сЬгоососош,

■■■V ;'■.■ ; ■ • го - ■ -''

. оставшуюся отпредщдущпх популяций. Наконец, последней в этом ряду оказалась популяция артробактера. : ; , ' ;

. Через;30 суток'после'инициации сукцессии кривая значимости. видов становится менее крутой и может описываться моделью Мак-' 'Артура, когда пространство ниши поделено случайным образом на со- ' прикасающиеся а неперекрывающиеся участки.;Следовательно, ампир«--' -тесное ранговое распределение популяций микробного комплекса с : : заданным составом может: использоваться для определения стадии -

микробной сукцессии. .' ■■. .у"; ;" ■ ' ■ ." ч

. Сточки зрения решения прикладных задач особый интерес пред-

ставляет исследование 'комплекса-популяций в прикорневой зоне рас- . тений (рис.11). Динамика относительного обилия бактериальныхпопу-' ляцяй в ризосфере .ячменя и гороха имеет следующие 'особенности. Уже через. 5-9 суток после внесения бактерий и посадки растений вняв-:.. . ляются доминанты — популяции псевдомонасаи клубеньковых . бактерий, 'доля каторга в комплексе составляет 80-90?. Существенно, что в от-' ' личие от почвы н через 25 суток ризосфере,гороха уверенно доми-нярует популяция псевдомонаса, причем три остальные популяции в равной мере представлены в комплексе.;В ризосфере ячменя в это же . время наибольшую чагть'комплекса составляют клубеньковые бактерия.. .Относительное обилие азотобактера и артробактера оставалось небольшим в течение всего времени наблюдения. ' ><'■'■/■"- ■

..' На протяжении всего опыта в ризоплане гороха и ячменя доминя-, рует популягои псенц^наса, ее относительное обилие через 15-25 ~ суток после посадки. растений возрастает до 75-85;?. что4 не. харак-" терно ни Для почв, ни для ризосферы растений. В ризоялане ячменя" ■> через,5 суток после начала опыта клубеньковые бактерии по численности практически не уступает ггсеадомонасу. Как и в ризосфере, от-:..'■ носигольное обилие популяций азотобактера и артробактера не изме-- : пилось в течение 25 суток, что указывает!на .неприспособленность

I Г-

' -21 -

Рис. 10. Кривые значимости видов бактериального комплекса через 7 (а) и 30 (б) суток после иници£шия микробной сукцессии в черноземе, • . '

СРОК £ МО- | ОТНОСИТЕЛЬНОЕ 0ЕШ1Е ОТД. ШТ. ПОПЗДЦИЙ 9 КОДЕКСЕ Б-РИЙ

1 ризосфера РАСТЕНИИ. | , 1 ГС4ХИ.А

5 СЧТКЙ г—1 П ■ . тУ.и П-пи. у' г

э сугки _ П ГШ, п иъ

1 .2? ЭТИ : . п

. V*.. СV,-•.■¡чтурны« '.гЫешнля в комплексе бактерий в прикорневой зоне тений,.'15яр«1!1кваеш)с в черноземе.

Рис»!2. .Диначкка индекса разнообразия млкрооргаЕТОя?,тая бактериального 1ммя!лев«а, счесанного в чернозем ( а) и ркзос?ору растений Сб) . $ 1-увлакне«;ге ,2-глякоза;' д 1-ячмень, 2-горэх.

указанных К-стратегов к доминированию в ризоплане растений.':

Охарактеризовать структуру комплекса популяций и специфику изученных местообитаний модно с помощью индекса разнообразия ■.'.■ < рис*12 1' Наиболее существенно различается динамика индекса разнообразия, ё почвах и ризосфере растений. В почвах индекс разнообразия сначала падает,' достигая минимума через 7 суток после инициации сукцессии, а потом возрастает к 30 суткам до начального уровня., В экологии принято считать, что высокие и низкие значения индекса разнообразия характерны для "зрелой",и "молодой" систем соответственно; В ризосфере ивдекс разнообразия практически не . изменяется в течение ^месяца и существенно превышает таковой вдру-гих местообитаниях. ■': V' ■. ■■■-.■ -■

' Во всех вариантах опыта в черноземе установлена тесная линейная отрицательная корреляционная зависимость медцу индексом, раз- '■ нообраэия и общей численностью внесенного комплекса бактерий. Для дерново-подзолистой почвы, в отличие от чернозема,'такая зависимость не установлена, кроме того,'^минимальное значение индекса ' разнообразия в дерново-подзолистой почве значительно превышает ■ таковое в черноземе» .V '..'■■ ■' .*■: ' ■' ■ ' ■

}.:'■' . - ШВОДГ '.'1'' ' -/'"-■'■

„ 1. Впервые на основе нового методического подхода, состоящего/в одновременном изучении динамики численности нескольких мик-. робных популяций при их раздельном и совместном вяесении в раз- . личные местообитания (стерильные и нестерильные.почвы, прикорневая, зона растению, установлены относительные экологические стратегии, типы динамики и закбномерности, определяющие:структуру ..-'■■■ комплекса исследованных популяций.- '■■■■*.? * '

2. Определена позиция четырех бактериальных популяций в г-к континууме экологических стратегий друг.относительно друга: псе»-

домояас - клубенькоше бактерии - азотобактер -артробзктер. - . ■ Идея об экологических стратегиях имеет конструктивный характер, ; если указано, относительно каких^объектов определена стратегия конкретного микроорганизма, В данном,случае клубеньковые бактерш 'по отношению к азотобактеру и артробахтеру, с одной стороны, »к \ псевдсмояасу, с другой-стороны, являются г- л К-стратегом соответственно. ' -■ ' '.■'•"■:"■: • i-, v. л ■■' ' 7 \ ."■

3. Получейа классификация типов динамики численности бактериальных популяций на основе анализа-их'фаэовых.портретов в почвах. / Первый тип динамики характерен для популяции псевдомонаса, которая во всех. местообитаниях проявляет способность к существенному уве-">■ лич^нию популяцаонной плотности. Второй тип представлен динамикой популяции азотобактера с:умеренными изменениями численности. Тре- ■ I тий тип с небольшими изменениями популяционной плотности вблизи

равновесного уровня представлен динамикой популяции артробактера. : Динамика! численности клубеньковых бактерий в черноземе может рассматриваться в рамках.' первого , а в деряово^годзолистой почве -; ч V- второго типа. ■ ';■■■ ■ У ■ . '.V '

■ 4. .Прогноз динамики комплекса нескольких "бактериальных популяций в почвах на основе экологических стратегий и особенностей динамика численности при раздельном внесении популяций подтверждается'

- при совместном "внесении только на начальном этапе микробной сукцес-., ; сии Í5-10 суток), на более поздних этапах не обходимо прямое•эк еле рад-

ментальное определение значимости отдельных бактериальных популяций

- в комплексе. ..... , /■.■■'.'■ ; ■ '' ;■ .- ■. :

5._ Эмпирическое ранговое распределение-видов в комплексе с за^" данным составом бактериальных популяций является индикатором стадий . микробной сукцессии в почвах. В течение цервой недели после сов- , местного внесения популяций структура комплекса описывается в первом приближении геометрическин радом. На поздних этапах сукцессии Ч

кривая значимости:видов сглаживается и может бить описана мен-- : " делью Мак-Артура. . v '' ".■ ' ... ■'. 'г

'/'■•. 6. 0'прикорневой зоне,преобладают популяция относительных . " . . г -стратегов - псездомонзса и клубеньковых бактергсй. ознако опре- ■ ^ де^тить, какая именно яз указанных популяций в конкретных условиях ' ; станет доминантомж_на обнове информации об их экологических стратегиях нельзя, что указывает ка необходимость экспериментальной ■ : пров0рки соответствующих'прогнозов. Небольшое обилие популяций : : ■ относительных к-стратегов- азотобактера и артробактера (не .более ■;*-'■

1СК > указывает на их' неприспособленность к развитию в прикорневой "■-. зоне растений. Y" ■ У;' - v' ''.-.г .у--- ^

По материалам кяссертапия опубликован« следующие работы: ;'С ' ■ -• ^Количественное; описание ^динамики клубеньковых бактерий в . почвах// Микробиология. - 19fi4'. - т.53,- - с.506 (соавт. . П.А.Кожевин,"Д.Г.Звягинцев); .'.'.'■■"■V.:'■'" ..-.'.'л - v

■ - , ■ 3. Динамика популяции Ps« wt ото паз denifcriîicaaa в почвах// - 15естН..Моск.ук-та.Сор.17.Почвоведе1гав1'- 19В5. - №2^ - c.G5 . (еоавт. П.А.Кажевин,'Д.Г,Звяишцев). :

" : 3. Динамика 'популяции'клубеньковых бактерий в зависимости от потенциала почвенной влагиV/ Агропочвождение'- и плодородие почв: -■■■■;■■ Тез.докл.Всес.конф.. Ленинград, 1986. - cl47. Л'- ''' -

ï~ ■■.";, 4; Динамика четырех'бактериальных популяцлй в черноземе // . - Микроорганизмы в сельском хозяйстве: Тез. 111 Всес.конф., Москва, V 1986. - с.150. - ^ ' ■ :

■":.■ 5. ■ Специфичность ихмукодшинесценгноЯ реакции кля азотобак- ' ^ тера и азоспнрнллы / //йестн.Моск.ун-та.Сер;17.Почвоведение. -4988. - т.п?. - il. - с.74-70 (соавт. С.А.Лукин, П.А.Кожевин, Д.Г.Звя- ' '■ л'. ' гикцсй).^ v '*''.^. ■;■>.■ ; -у."'- ■ у \

Подписано к печати

Формат 60^90/16,

Уел* пбч, л» Уч.—мац, л* <0

Тираж ЮО ькз, Зшдэ М» ¿т

Ордб&а 'Знак Пачета'азаательство Московского уимеерс^ггвт«* Ю3009, Москва, ул. Герцеил, 5/7* Типография орде»* 'Зйаж Почет«' МГУ.

1X9699» Мое*.*«, Л«тнскм горы.