Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Актиномицеты в наземных экосистемах

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Зенова, Галина Михайловна, Москва



^ Г

40К ж -ьЛ*

5 V ^ 1 / / у >Л

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М.В. ЛОМОНОСОВА

Факультет Почвоведения

ЯЫ)Л

4

ч

г

На правах рукописи

ЗЕНОВА Галина Михайловна

АКТИНОМИЦЕТЫ В НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

Специальность 03.00.27 - почвоведение 03.00.07 - микробиология

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва -1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................1

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ........................12

ГЛАВА 1. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЧВЕННЫХ АКТИНОМИЦЕТОВ....................12

Объекты исследования....................................14

Методы исследования..................................... 29

Методы определения структуры комплексов почвенных

актиномицетов.......................................29

Дифференцированный учет представителей разных родов

актиномицетов.......................................34

Другие методы выявления актиномицетов в почве.........39

Методы, используемые для исследования взаимодействия

актиномицетов и водорослей............................44

Методы, используемые при исследовании взаимодействия актиномицетов и

беспозвоночных животных.............................48

ГЛАВА 2. РАЗНООБРАЗИЕ АКТИНОМИЦЕТОВ

В ПОЧВЕ И ИХ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ..............50

Разнообразие актиномицетов в почвах.....................58

Лесные почвы.........................................58

Почвы степных биогеоценозов..........................66

Почвы пустынь........................................68

Функции актиномицетов в почвах..........................71

ГЛАВА 3. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВЕННЫХ АКТИНОМИЦЕТОВ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СУКЦЕССИОННОГО АНАЛИЗА......79

ГЛАВА 4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АКТИНОМИЦЕТОВ С

ДРУГИМИ ОРГАНИЗМАМИ В ЭКОСИСТЕМАХ............95

Актинолишайникпи, их формирование

и экологическое значение..................................98

Актиномицеты и почвенные беспозвоночные животные.......132

ГЛАВА 5. ВЕРТИКАЛЬНАЯ СТРАТИФИКАЦИЯ АКТИНОМИЦЕТНЫХ

КОМПЛЕКСОВ В ОСНОВНЫХ ТИПАХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ ... 157

Актиномицетные комплексы лесных экосистем............. 158

Актиномицетные комплексы биогеоценозов на торфяниках. . . 168

Актиномицетные комплексы степных экосистем.............183

Актиномицетные комплексы пустынных экосистем...........190

Актиномицеты в экосистемах,связанных с первичным почвообразованием или восстановлением почв ...................200

ГЛАВА 6. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ОТДЕЛЬНЫХ РОДОВ АКТИНОМИЦЕТОВ..................217

Экологическая характеристика стрептомицетов............217

Экологический статус актиномицетов рода Micromonospora . . .220 Экологическая характеристика актиномицетов рода

Streptosporangium.......................................248

ГЛАВА 7. АНТРОПОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ

КОМПЛЕКСА ПОЧВЕННЫХ АКТИНОМИЦЕТОВ...........258

Влияние уничтожения естественного биогеоценоза и распашки

на структуру комплекса почвенных актиномицетов..........258

Влияние удобрений на структуру комплекса

почвенных актиномицетов..............................259

Влияние известкования почвы на структуру комплекса

почвенных актиномицетов...............................262

Изменение структуры актиномицетных комплексов

дерново-луговой почвы при внесении гербицидов...........270

Влияние мелиоративных мероприятий на структуру

комплекса почвенных актиномицетов.....................273

Использование сукцессионного анализа актиномицетных

сообществ для оценки антропогенных нарушений почвы.....281

ВЫВОДЫ............................................... 288

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.................................291

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ В ДИССЕРТАЦИИ ЛИТЕРАТУРЫ.............................................307

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Термин "актиномицеты" объединяет широкий круг бактерий, многим из которых характерно морфологическое разнообразие клеток, в том числе способность к формированию ветвящегося мицелия. Актиномицеты представляют собой единое звено в трофической цепи экосистемы, осуществляя функции микробов-редуцентов. Основная роль мицелиальных прокариот состоит в разложении сложных полимеров - лигнина, хитина, ксилана, целлюлозы, гумусовых соединений (McCarthy, Williams, 1990; Truncer et al.,1996; Berensetal., 1996; Li, 1997; Jendrosseket al., 1997). В почве и связанных с нею растительных субстратах актиномицеты распространены широко. В настоящее время представители почти всех известных родов актиномицетов обнаружены в почве (The Prokaryotes, 1991). Однако закономерности распределения актиномицетов в почвах ограничиваются в большинстве случаев численностью и долей рода Streptomyces от общего количества бактерий.

В последнее десятилетие в почвенной биологии сложился биоценоло-гический подход к изучению биоты, позволяющий определить ярусы и ло-кусы активного размножения микробов, связать местоположение микроорганизмов с их функциями и типом экологической стратегии (Звягинцев и др., 1991-1996; Добровольская и др., 1997).

Мицелиальная организация актиномицетов обусловливает схожесть экологических стратегий этих прокариот и мицелиальных эукариот - грибов (Калакуцкий, Агре, 1977). Наряду с грибами актиномицеты в большинстве своем относятся к группе гидролитиков - организмов, способных продуцировать экстрацеллюлярные гидролазы. Функциональная роль ми-

целиаяьнььх прокариот состоит как в снабжении растений элементами минерального питания, так и в пополнении пула гидролитических ферментов почвы (Звягинцев, 1987). Мицелиальная организация и функциональное сходство с грибами дает основание для выделения группы актиномицетов среди прочих бактерий сапротрофного блока и для отдельного рассмотрения экологии этих организмов в биогеоценозах.

. Актиномицеты образуют темноокрашенные пигменты - меланины, являющиеся предшественниками гумусовых веществ в почве, принимая участие-в формировании почвенного плодородия (Александрова, 1962; Кононова,- 1963; Орлов, 1974; Орлов и др., 1996; Малама и др., 1974; Лях, 1981).

Актиномицеты участвуют в накоплении в почве биологически ак-

л.

тивных веществ (Piepersberg, 1994) и формировании азотного баланса почв (Калакуцкий, Шарая, 1990; Niner et al., 1996).

Одной из характерных особенностей актиномицетов является их способность к образованию антибиотиков (Hacene et al., 1994; Stephan et al., 1996;. Kavamura et al., 1996; Nemoto et al., 1997; Horan et al., 1997). Развитие исследований, связанных с поиском фармакологически активных веществ актиномицетного происхождения (Терехова, 1992; Бибикова, 1990), расширяет родовой спектр выявляемых в почве актиномицетов. Однако использование селективных сред с антибиотиками для выделения актиномицетов из почвы не позволяет оценить место представителей разных родов в'актиномицетном комплексе и описать экологические свойства рода. •

Исследование структуры актиномицетных комплексов позволит не только установить закономерности в распространении мицелиальных прокариот в биогеоценозах основных природных зон, но и показать, что традиционно ; считающиеся редкими роды актиномицетов, в частности Мкготопоярога, 5ггерШрога^шт, при определенных условиях могут иметь равную со стрептомицетами численность, а иногда и являться доминантами в комплексе.

Важное место в почвенном мониторинге занимают взаимоотношения между организмами. Анализ изменений актиномицетного комплекса в ходе микробных сукцессий перспективен с точки зрения изучения взаимоотношений между родами в комплексе. Новые горизонты для исследования "поведения" актиномицетов раскрываются во взаимоотношениях мицелиальных прокариот с водорослями и почвенными беспозвоночными животными, которые складываются в процессе формирования симбиотиче-ских ассоциаций и трофических цепей в биогеоценозах.

Цель работы - установление закономерностей организации комплексов актиномицетов в наземных экосистемах, необходимое для понимания принципов функционирования микробных сообществ в природе.

Задачи исследования:

1. Исследование численности и таксономической структуры акти-номицетцых комплексов в почвах основных биоклиматических зон.

2. Составление экологических характеристик постоянно выделяющихся из почвы родов актиномицетов с использованием сукцессионного анализа.

3. Исследование свойств актиномицетов, проявляющихся во взаимодействии мицелиальных прокариот с другими почвенными организмами.

4. Выявление закономерностей вертикально-ярусной стратификации актиномицетов по элементам наземных биогеоценозов.

5. Исследование антропогенных изменений структуры комплекса почвенных актиномицетов.

6. Использование экологических характеристик постоянно выделяемых из почвы родов актиномицетов для биологической индикации почв.

Место проведения работы. Работа проводилась на кафедре биологии почв факультета почвоведения МГУ, возглавляемой профессором Д.Г. Звягинцевым, и являлась частью плановой тематики кафедры.

Автор выражает глубокую признательность заведующему кафедрой биологии почв факультета почвоведения МГУ профессору Д.Г.Звягинцеву за постоянное внимание к работе и поддержку.

Автор благодарит чл.-корр.РАН Л.В.Калакуцкого, профессора Э.А.Штину, докт.биол. наук Л.А.Осипова, кандидатов биологических наук.П.А.Кожевина и В.С.Соину за совместную работу, своих коллег и соавторов И.П.Бабьеву, Т.Г. Добро-вольскую, Л.М.Полянскую, И.Н.Скворцову, Л.В.Лысак, О.Е.Марфенину, И.Ю.Чернова, Б.А.Бызова, А.В.Куракова, А.Л.Степанова, С.В.Левина, Н.Ф.Гомонову, Г.Ф.Лебедеву. Автор благодарит профессоров М.М.Ума-рова и В.С.Гузева за консультации в работе и поддержку.

Автор выражает признательность профессору С.А.Шобе, профессору А.С.Владыченскому, доценту Л.Г.Богатыреву и доценту С.Я.Трофимову за помощь в идентификации почв и ценные советы.

Автор благодарит своих учеников А.А.Лихачеву, Т.А.Грачеву, С.Н.Дедыш, О.Б.Глаголеву, Л.Е.Сорокину, Е.Ю.Ключникову, И.Г.Широ-ких, А.Н.Калакуцкую, Т.Л.Бабич, Н.И.Бабкину, Е.М.Маслову, Е.С.Уте-хину, Н.В.Михайлову за большую помощь в работе, а также весь коллектив кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ имени М.В Ломоносова.

Защищаемые положения.

Г. Структуру почвенного актиномицетного комплекса необходимо характеризовать, используя следующие качественные и количественные критерии - состав типичных родов и видов, число доминантов, величину видового спектра. Существуют определенные закономерности в организации актиномицетных комплексов в биогеоценозах: выявлена вертикальная стратификация в распределении актиномицетов в биогеоценозах, для которой характерно сочетание непрерывности ( в отношении стрептомице-тов) и дискретности (в отношении других родов); существуют природные "локусы" с признаками относительно более высокой активности мицели-альных прокариот - альгобактериальные ценозы в местах первичного почвообразования и кишечные тракты беспозвоночных животных.

2. Различные роды актиномицетов поэтапно участвуют в процессе разложения органических веществ в почве, занимая определенную пространственную и временную позицию в экосистеме, согласно адаптивным приспособлениям к наземному существованию, свойствам мицелия и спор, экологическим стратегиям и типу взаимоотношений рода с другими в ак-тиномицетном комплексе. В определенных условиях (тип почвы, этап сукцессии) традиционно считающиеся редкими роды актиномицетов могут

иметь равную со стрептомицетами долю в актиномицетном комплексе, а иногда и доминировать в нем.

3. Актиномицеты в ассоциациях с другими почвенными организмами (водорослями, беспозвоночными животными) проявляют новые физиологические возможности. Показано существование ассоциации актиномице-тов и водоросли (актинолишайник), где актиномицеты выполняют роль ценозообразующего и стабилизирующего компонента, регулируя численность водоросли, стимулируя образование хлорофилла, обеспечивая устойчивость бактериального звена и системы в целом.

Актиномицеты потребляются почвенными беспозвоночными животными. Наряду со стрептомицетами, постоянными обитателями кишечных трактов являются актиномицеты редких родов, выполняющие функцию разложения хитина и других труднодоступных немицелиальным бактериям веществ.

4. Актиномицетный комплекс может быть использован в качестве показателя состояния микробной системы при антропогенных нарушениях почв. Информация, полученная в процессе наблюдения за сукцессионны-ми изменениями актиномицетного комплекса, использована при решении задач микробиологической индикации почв.

Научная новизна. Изучение структуры почвенных актиномицетных комплексов позволило вскрыть различия этих комплексов в почвах основных биоклиматических зон. Показано, что в подзолистых, серых и бурых лесных почвах доминируют в комплексе актиномицеты рода ЗперЮтусез, в черноземах, каштановых и серо-бурых почвах доминируют стрептомицеты и микромоноспоры, в интразонльных торфяных почвах

микромоноспоры численно преобладают над стрептомицетами, и доминантными в комплексе, кроме этих двух родов, являются актиномицеты родов Басскаготопоярога, Басскагоро^рога, ЗиерМярогащшт, Биерю уепкИИит.

Впервые установлены закономерности в распределении актиномице-тов по вертикально-ярусной структуре биогеоценозов основных климатических зон: существует вертикальная стратификация в распределении ак-тиномицетов в биогеоценозе, которая выражается в сочетании непрерывности (в отношении стрептомицетов) и дискретности (в отношении других родов); имеются "локусы", где актиномицеты существуют в активной жизненной форме - альгобактериальные ценозы в местах первичного почво-• ' * *

образования и восстановления почвы и кишечные тракты беспозвоночных животных.

Характеристика комплекса почвенных актиномицетов контрастных типов бйогеоценозов дала возможность конкретизировать местообитание представителей мицелиальных прокариот, обладающих ценными биотех-нойогическими свойствами, и пополнить наши знания о разнообразии микробного мира.

Н^ основе сукцессионного анализа получена экологическая характеристика комплекса почвенных актиномицетов, заключающаяся в следующих положениях: 1. Максимальная плотность популяций актиномицетов различных родов комплекса отмечена на разных этапах сукцесии, иници-рованной увлажнением почвы. Например, для микромоноспор - на промежуточных этапах сукцессии, для стрептомицетов - на ранних и поздних этапах. Сукцессионный анализ позволил наблюдать за сменой таксоно-

мического состава актиномицетного комплекса почвы во времени непосредственно в естественной среде обитания. 2. Экологические ниши актиномицетов разных таксонов (родов, видов) не полностью разобщены в почве, а частично перекрываются, что свидетельствует о возможных конкурентных отношениях внутри порядка АсИпотусегакз. 3. Далекие в таксономическом плане актиномицеты могут иметь близкие экологические позиции; а таксономически близкие популяции могут существенно различаться в экологическом отношении. 4. Охарактеризована структура популяций (споры-мицелий) стрептомицетов и микромоноспор в динамике и определена их относительная экологическая стратегия. 5. Установлен экологический статус родов, традиционно считающихся редкими в почве -Мюготопозрога и Бггергозрогащшт. Определены позиции этих родов актиномицетов в поэтапном разложения труднодоступных органических соединений в почве.

Разработано новое направление в экологии актиномицетов - взаимодействие мицелиальных прокариот с почвенными организмами - водорослями, гетеротрофными микроорганизмами, почвенными беспозвоночными животными. Показано существование лишайникоподобной ассоциации актиномицетов и водоросли (актинолишайник), установлены ее свойства и экологическая значимость. Впервые выявлена стабилизирующая роль актиномицетного компонента, обеспечивающая устойчивость актинолишайника. Впервые установлено, что кишечник почвенных беспозвоночных животных представляет для актиномицетов специфическую нишу, где размножаются и начинают доминировать представители редких родов мицелиальных прокариот. Показано, что почвенные животные

%

потребляют мицелий и споры актиномицетов из природных субстратов. У дождевых червей часть поступивших с субстратом спор и мицелия переваривается, а часть активно развивается в кишечном тракте и затем накапливается в экскрементах. У подстилочных диплопод кивсяков отмечена аккумуляций мицелия и спор в заднем отделе кишечника, где актиномицеты используют хитин разрушающейся перитрофической мембраны. Установлено образование антибиотика актиномицетом в кишечном тракте беспозвоночных животных.

Практическая значимость работы. Разработаны интегральные количественные критерии для характеристики комплексов почвенных актиномицетов, позволившие установить закономерности распределения актиномицетов в ненарушенных биогеоценозах и использовать структуру акти-номицетного комплекса в качестве критерия антропогенных нарушений почв и биогеоценозов. На основе сукцессионного анализа впервые показана принципиальная возможность микробиологической индикации состояния почв по данным о структуре актиномицетного комплекса. Составлен