Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Популяционная экология почвенных микроорганизмов

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Кожевин, Петр Александрович

Актуальность проблемы.

Популяционное направление - один из основных разделов общей экологии, связанный с изучением динамики численности конкретных популяций непосредственно в природных местообитаниях. Сосредоточив внимание на характере популяционной динамики, можно получить ответ на вопрос о том, что определяет судьбу объекта, а также решать прикладную задачу по управлению желательными и нежелательными популяциями. Трудно представить экологию растений или животных без изучения популяций в природе. Актуальность популяционного направления в этом случае очевидна.

Между тем^ почвенной микробиологии популяционное направление к началу нашей работы (1972 г.) не было представлено. Необходимость изучения микроорганизмов в их естественной среде обитания после работ С.Н. Виноградского стала очевидной. Отечественные микробиологи (Холодный Н.Г., Перфильев Б.В., Аристовская Т.В., Звягинцев Д.Г., Никитин Д.И. и др.) внесли большой вклад в развитие этой идеи посредством разработки прямых микроскопических методов исследования образцов из природных местообитаний. Однако, основное внимание уделялось так называемому общему количественному учету, а о необходимости развития популяционного подхода нет упоминания даже в классических работах. Отчасти это можно объяснить тем, что отсутствовали надежные методы выявления и количественного учета конкретных видовых и штаммовых популяций.

В результате анализ экологии конкретных микроорганизмов по-прежнему проводился в основном путем экстраполяции данных о росте in vitro на природную среду. Возможности такого подхода возросли после развития разнообразных систем культивирования и прогресса в математическом описании роста популяций в таких условиях. Однако и это обстоятельство не снимает необходимости изучения популяций непосредственно в природных местообитаниях, которые по определению Т. Брока в принципе не могут в полной мере контролироваться исследователем.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Популяционная экология почвенных микроорганизмов"

Цель работы связана с развитием популяционной экологии почвенных микроорганизмов как нового направления, в котором для объектов, представленных in situ микроорганизмами определенного вида или даже штамма, можно было бы получить ответ на основные вопросы классического популяционного подхода. Ключевые популяционные вопросы предполагают определение присущих данному уровню исследования показателей, включая популяциониую плотность и ее динамику с характеристикой размножения, гибели, миграции, механизмов регуляции и экологических стратегий.

Основные задачи: Разработка методов выявления и количественного учета конкретных микробных популяций в природных местообитаниях.

2. Развитие экспериментальных подходов для оценки приспособленности микробных популяций при интродукции в природное местообитание.

3. Определение механизмов регуляции численности популяций в почве.

4. Проведение количественного популяционного анализа.

5. Характеристика особенностей динамики микробных популяций в системе "почва-корни растений".

6. Определение показателей состояния природной микробной системы с описанием микробных сукцессии для оценки относительной экологической стратегии микробных популяций и принципиальной возможности управления желательными и нежелательными микроорганизмами in situ.

Научная новизна работы

Разработано новое направление - популяционная экология почвенных микроорганизмов, прелстатенное анализом динамики популяций конкретных видов и даже штаммов непосредственно в природной среде обитания. Предложены оригинальные подходы и методы, позволяющие в полной мере реализовать возможности классической поиуляционной экологии при работе с микроорганизмами. Впервые судьба интродунируемых популяций охарактеризована на основе анализа их динамики с количественным описанием процессов размножения, гибели, миграции, а также определением их относительной экологической стратегии.

На примере бактериальных удобрений установлены экологические ограничения, препятствующие реализации биотехнологического потенциала. Впервые показано, что как динамика популяций, так и показатели эффективности существенно и достоверно зависят от состояния почвенной микробной системы в момент интродукции.

Основные положения, выносимые на защигу

В результате проведенных исследований автором впервые установлено:

1. Доказана принципиальная возможность длительного выживания инородных микробных популяций (клубеньковые бактерии, азоспириллы. стрепгомицегы и др.) в почвах и ризосфере растений и установлен динамический характер стабилизации с компенсацией процессов гибели процессам и размножения, что позволило ввести критерии приспособленности популяций к природным местообитаниям.

2. Определены механизмы регуляции численности клубеньковых бактерий в почвах. Стабилизация их поиуляционной плотности в почве связана с тем, что при численности популяции ниже 10s клеток/г почвы отрицательные механизмы (хищник-жертва, паразит-хозяин) ослабевают, а на первый план выходят положительные механизмы почвенной микробной системы. Доказано, что в этом случае почвенные микроорганизмы с выраженной экзогидролазной активностью снабжают популяцию доступным ресурсом и как бы выполняют функцию растения-хозяина.

3. Проведен количественный популяцнонный анализ и предложены простые модели для описания и прогнозирования динамики in situ микроорганизмов с относительно простым (ризобии) и сложным (стрептомицеты) жизненным циклом.

4. Определена относительная значимость процессов размножения, гибели и миграции клеток ризобий и азоснирилл после интродукции популяций в прикорневую зону растений. Доказана возможность существования в ризосфере пространственных популяционных структур типа "бегущей волны".

5. Определены относительные экологические стратегии интродуцируемых микробных популяций на основе анализа их динамики и параметров почвенной микробной системы в ходе микробных сукцессии, что позволяет оптимизировать условия для стимуляции и подавления желательных и нежелательных популяций in situ.

Практическая значимость работы

Практическая значимость работы непосредственно связана с тем, что классический популяцнонный анализ в прикладной экологии фактически решает две проблемы: 1) увеличение обилия желательных популяций; 2) снижение численности нежелательных популяций до приемлемого уровня. В работе доказана принципиальная возможность управления конкретными микробными популяциями непосредственно в природных местообитаниях и оптимизации соответствующих условий. Показано наличие принципиальных экологических ограничений при применении традиционных микробных удобрений и новых микроорганизмов и предложены альтернативные подходы, связанные с применением микробных комплексов.

Разработанные и модифицированные автором методы количественного учета микроорганизмов и анализа природной микробной системы достаточно широко используются специалистами и включены в учебные пособия для студентов.

Апробация работы

Результаты исследования представлены на Ломоносовских чтениях МГУ (1984, 1993), заседании секции экологии МОИП (1979), заседаниях Всесоюзного микробиологического общества (1986; 1989), Всесоюзной конференции "Научные основы производства и применения нитрагина" (Москва, 1981), XII Международном конгрессе почвоведов (Москва, 1982), Всесоюзной конференции "Микроорганизмы в сельском хозяйстве" (Москва, 1986; Пущино,1992), Всесоюзном симпозиуме "Биодинамика почв" (1988), конференции "Киотехнолпгня защиты окружающей cix"tw" (TTvmmto. 19941. конференции "Интродукция микроорганизмов в окружающую среду" (Москва, 1994) , Международной конференции "Проблемы микробиологии и биотехнологии" (Минск.1998). конференции "Проблемы экологии и фитологии микроорганизмов" (Москва, 2000) и др.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 120 работ, в том числе монография "Микробные популяции в природе" (М.,1989), написаны главы в 4-х коллективных монографиях, включая "Microbial Communities. Functional Versus Structural Approaches" (H.Insam. A.Rangger.eds.). Springer Verlag,Heidelberg. 1997.

Место проведения работы

Работа проводилась на кафедре биологии почв факультета почвоведения МГУ, возглавляемой профессором Д.Г.Звягинцевым. Автор считает своим долгом поблагодарить Дмитрия Григорьевича Звягинцева, сотрудников, аспирантов, студентов кафедры и факультета. Автор с благодарностью вспоминает П.А.Дмитрисва, побудившего завершить обобщение полученных данных. Я также признателен за оказанную мне щедрую помощь И.И.Судницьшу и О.Е.Марфениной.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ