Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭВТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ ПОЧВЫ

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭВТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ ПОЧВЫ"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

Факультет почвоведения

На правах рукописи

ИВАНОВ Петр Игоревич

1

УДК 631.46

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭВТРОФНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ ПОЧВЫ

Специальность 03.00,07 — микробиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1983

Работа выполнейа на кафедре биологии почв факультет почвоведения Московского государственного университета имени М, В. Ломоносова.

Научный руководитель—доктор биологических наук, профессор Д. Г. Звягинцев,

Официальные оппоненты—чл.-корр. АН СССР, профессор Е, Н. Кондратьева, доктор биологических наук Д.' И, Никитин.

Ведущая организация — Всесоюзный научно-исследовательский институт сельскохозяйственной микробиологии (Ленинград).

Зашита состоится « 1988 г. в 15 ч.

30 мин. в ауд, М-2 на заседании специализированного совета К. 053.05.86 в МГУ имени М. В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ,

Автореферат разослан « » ....... 1988 г.

Ученый секретарь специализированного совета

И. П. Бабьева

Актуальность проблемы. Для понимания законов функционирования микробной системы как целого ваяно знать функции отдельных экологических групп микроорганизмов в их естественной среде обитания. Эти функции невозможно определить* изучая микроорганизмы и их свойства только в чистых культурах in vitro . Экстраполяция таких результатов на закономерности развития микроорганизмов в природе часто приводит к противоречия« с результатами, полученными при прям)« наблюдениях. Системные представления в экологии почвенных микроорганизмов берут.свое начало с исследований» выполненных в 20-х годах С.Н.Виноградским (1952) и получивших развитие в работах Е.Н.Мисустина (ЮТ5), Г.А.Заварзина (1976) и Д.Г.Звягинцева <1987). Разработанная В.С.Гузевыи (1966) модель функциональной структуры микробной системы почвы включила устоявшиеся положения ранее предложенных концепций и дополнила их принципиально отличным механизмом регуляции гомеостаза. Микробная система почвы по данной модели состоит из трех функциональных групп ~ гидролитической» копиотрофной и олиготрофной. Представители гидролитической и копиотрофной групп традиционно относят к эвтрофным организмам. Термин эвтрофы заимствован из лимнологии (Яагжапп , 1921). В микробиологии этот термин используется для определения микроорганизмов, способных расти в условиях богатых питательных сред. Представляется актуальным разделение эвтрофных микроорганизмов на две группы - гидролитическую и копиотрофную в соответствии с их функциональной ролью в естественной среде обитания. Экспериментальная аргументированность возможности разделения звтрофных микроорганизмов по функциональному признаку приблизит нас к пониманию закономерностей процесса деструкции органического вещества - основной экологической функция микроорганизмов в, природе.

Е-гу'иТ.я L ;Ttia Мir-ec:.;sS onjt»ca С1-*-! чо*"лйс и.ч. £-; jii.i«; 1 «. К. Л. '(СМ-:";:"' : 1

. ■ Цом -льзяя

Л- 2<МЬЧ

Цель работы. Сравнительная характеристика особенностей функционирования микроорганизмов гидролитической и копиотрофноЯ групп на примере почвенных микромицетов. .

Основные задачи исследования.

1. Сравнительное изучение некоторых параметров кинетики роста микроорганизмов гвдролитической и копиотрофноЯ групп in vitro в зависимости от концентрации мономерного питательного субстрата в среде.

2. Изучение влияния различных доз ыономершго питательного субстрата на активность микроорганизмов гидролитической и копи-отрофной групп в почве*

3. Изучение особенностей функционирования микроорганизмов копиотрофноЯ группы в агроценоэе.

Научная новизна. На примере выделенных из дерново-подзолистой почвы микромицетов экспериментально показаны особенности кинетики роста, отличающие гидролитиков от копиотрофов. Изучеда экологические ситуации» при которых преимущественное развитие получают микроорганизмы копиотрофной группы. Показана воэмох- . кость накопления в почве микроорганизмов указанной группы. Установлена взаимосвязь почвоутомления с обогащением почвы микроорганизмами копиотрофной группы, способным» образовывать токсины.

Прямыми экспериментами показано, что мономерный питательный субстрат активизирует развитие копиотрофной группы и подавляет на длительное время, пропорционально концентрации мономера, активность гидролитической группы. Впервые обнаружено, что действие мономера на развитие микроорганизмов гидролитической группы в почве вполне сопоставимо с действием токсических препаратов, используемых в сельском хозяйстве для предотвращения

микробного разрушения растительных тканей. Полученные результаты могут быть использованы при разработке способов предохранения полимерных материалов от микробного разрушения С позиций экологически оптимизированного управления микробными процессами.

Практическая ценность. Разработан метод целлофановых мембран, позволяющий оценить регулирующее воздействие различных реагентов на активность гидролитической группы почвенных микроорганизмов. На основании результатов, полученных при изучении почвоутомления разработан способ индикации степени токсикоза почвы в агроценозе, образовавшегося за счет развития микроорганизмов копиотрофноЯ группы. Полученные результаты включены в курс лекций по экологии почвенных микроорганизмов, читаемый на факультете почвоведения ИГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано б работ.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на УП съезде ЕЮ (Алма-Ата, 1985), на конференции "Пути повышения эффективности сельскохозяйственного производства" (Вильнюс, 1586), на конференции "Тяжелые металлы в окружающей среде и охрана природа" (Москва,,1967)» на конференции молодых ученых ТСХА (Москва, 1988), на заседании секции "Почвенная биотехнология" ШО (Москва, 1968), а также на заседании кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения, выводов. Материалы диссертации изложены на стр'. машинописного текста, список литературы из названий,

из них - зарубежные.

ОБЬЕСШ И МЕТОД! ИССЛЕДОВАНИЙ

В работе использовались подзолистая, дерново-подзолистая почвы и выщелоченный чернозем. .

Радиальную скорость роста колония микромицётов определяли цутем измерения радиального разрастания колоний на агаризованной среде. Плотность колоний анализировали ло статистически достоверно^ и усредненному числу гиф, пересекающих поле зрения микроскопа. Периферическую зону роста колония определяли по длине гиф, способных расти без доступа питательных веществ (Перт, 1978). Инкубирование проводили при 25°; повториость экспериментов - 3-кратная. Способность чистых культур микроорганизмов к разложению крахмала проверяли, используя стандартную методику заливки среды реактивом Люголя (Пименова и др., 1971), Для изучения микроорганизмов, разлагающих глюкозу.иди крахмал, внесенные в почву, использовали метод инициированного микробного сообщества (ГУзев и др., 1930). Динамику выделения из почвы СО*, при внесении того или иного субстрата изучали методом газовой хроматографии на хроматографе ЛХЫ-8ВД с к&тарометроы в качестве детектора (газ - носитель -гелий), Длину мицелия грибов в почве измеряли с помощью светового или сканирующего электронного микроскопов. Количество глюкозы, выделяемой проростками растений в почву, определяли глюкозооксидаэкым методом (Щербухин и др., 1975). Развитие микроорганизмов и характер разрушения полимерного субстрата в почве изучали с помоа^ю сканирующего электронного микроскопа №-2 японской фирмы *Мео1" .

- Для исследования характера разложения полимеров в почве . микроорганизмами гидролитической группы был разработан метод' целлофановых мембран, который заключается в следующем. Целлофан '

толщиной 4 мкм, взятый в качестве лабораторного аналога природного полимера - целлвлоэы, во влажном состоянии закрепляли резиновым кольцом на горлинке пенициллинового флакона {0 14 мм) с обрезанным донышком. Почву, просеянную через сито I мм, увлажняли до 60% от полной Благоемкости и закладывали 6-7 мм споем в пластмассовые кюветы* добиваясь ровной поверхности. Стеклянные цилиндры с целлофановой пленкой помещали на поверхность почвы так, чтобы контакт целлофана с почвой был полным. Весовое соотношение целлофана с почвой 1:100. Инкубацию проводили при постоянной влажности и Степень микробного разрушения целлофана .оценивали в динамике по изменению его прочности! определяемой как способность пленки выдерживать давление воздуха, вызывающее разрыв целлофана.

Для сравнения действия глюкозы и токсических веществ на процесс микробной деструкции целлюлозы использовали различные количества нафтената меди, бордоской жидкости, тилта и байлето-на. Этими веществами обрабатывали внутреннюю и внешнюю поверхности целлофановой мембраны до начала инкубации в почве. Необходимую дозу глюкозы наносили срезу после помещения целлофана в почву на внутреннюю поверхность полимера. Дозу реагента выражали в граммах действующего вещества на I г целлофана. Эксперименты проводили в 10-кратной повторности. Полученные результаты обрабатывали статистически. Контроль за разложением целлюлозы осуществляли прямым наблюдением в сканирующем электронном микроскопе,

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ .

. Термин "копиотрофьГ был предложен Дж.Поиндекстер (Рош-йехьы? ,1981) для обозначения микроорганизмов, для которых богатый питательный субстрат является фактором, определяющим их

конкурентное преимущество при росте на органических средах. В настоящей работе под копиотрофамя понимается функциональная группа микроорганизмов, характеразущался болысой скоростью потребле-кия мономерного субстрата при высокой его концентрации в среде. Под гидродитиками понимается, в соответствии с определением Г.А. Заварзина {1976), функциональная группа микроорганизмов, обладающих способностью продуцировать экстрацеллюлярные гидролази.

При подборе культур для исследований исходили из необходимости сравнения видов, выделенных из одного местообитания, функционирующих в пределах одного трофтеского уровня и ямеюартх сходную морфологию вегетативного роста.

В работе в качестве природного полимера использовали картофельный крахмал, а в качестве мономера - 1>-глюкозу. В микробном сообществе дерново-подзолистой почвы, инициированном высокими концентрациями мономерного питательного субстрата (глюкозой) доминировали Мисог ¿ивсиа Ва1п1ег и Ас(;1п<мпиаог е1ееапз (ЗДОат) В0Д^ат1а еЬ НеваеК;1пе, которые могут быть отнесены к типичным копиотрофам . Реи1с1Х11иш Пш1сиХовш ТЬош и АврвгвШив 0172а е (АЫЪиге) Со1ш были взяты нами как гидролитические микроорганизмы из-за их доминирования в инициированном микробном сообществе при разложении крахмала на дерно во-подэо-дистой почве и подробно описанной в литературе гидролитической функции (Шфчкнк, 1986), Данное свойство ыикромицетов проверя- .; лось при'выршцивании чистой культура на агаризованной среде с* крахмалом по положительной качественной реакции на крахмал с реактивом Люголя. Отмеченные выше копиотрофные микромицеты крахмал не гидродиэовешя.

I. Особенности роста на питательной среде микромицетов когаотрофной и гидролитической групп

У наделенных микромицетов iJucor iuaevis, Actlnomucor ele -g&ns,Pénicillium fwnioulosum и Aspergillua orysae определяли радиальную скорость роста на почвенном агаре, содержащем различные концентрации глюкоза. Радиальная скорость роста и у копио-трофкых и у гидролитических микромицетов увеличивается при возрастании концентрации глюкозы, что подтверждает справедливость их объединения в обцуи группу эвтрофкых микроорганизмов. Вместе с тем установлено, что при всех концентрациях глюкозы копиотроф-ные микромицеты fc.ruscus и A.elesaas имеют в 5-7 раз большую радиальную скорость роста по сравнения с гидролитическими микромицетами P.funlculosum и A.oiyzae (рис.1).

Анализ биомассы, определенной по плотности колоний, показал, что медленно растущие гидролитические ввд>1 - P.ftmiculo-eum и А.отував - имеют в 2-6 раз более плотную колонию по сравнению с быстро растуадами микромицетами копиотрофной группы - U.fuscus и A.elegane (рис. 2).

: Одним из показателей, способных охарактеризовать стратегию роста микромицетов, является величина периферической зоны роста колонии. Эту величину для Ц,fuseus , A.elegans , P.funlculosuB и Д.. огугае измеряли также, как и в предыдущих экспериментах, на почвенном агаре с градиентом концентрации глюкозы в среде. Для микромицетов гидролитической группы А. oryzae и P.funiculoswm величина периферической зоны роста не зависела от концентрации мономера и находилась в интервале от 0,2 см до 0,6 см. Шкромицеты копиотрофной группы ы. fUS0U3 и A.elegans реагируют на 'возрастание концентрация

Рас. I, Влияние глюкози ва ред-лальпуп скорость роста мякрошцэтов, относяздхся я когтаотро'Там: Маем- îiucus .(J, 1 сtInoctucor elegaae 3 X ГВДролиглкак: feslelllltua funiouXomua Q i Aspergillus oï7iae jÇ

Концентрация гдэкозы, г/л.

Рис.2. Вжшше глзкоэы на йлошссу колош:! ¡глкрошцетов, отазсэдисся к хотютро^гм: Мцсог fuscua , Actinomucor elegana Q , и к ггцролхтккам! Pénicillium fuaiculoeum . ф t Aspergillus orjîae Q

глюкозы б среде увеличением периферической зоны роста с 1,2 см при отсутствии мономера до 2,0 см при 20 г/л глюкозы.

Таким образом показано, что микроорганизыы яопиотрофной группы - К.Гиэоиа и А,е1ееапа — отличаются от относящихся к гидролитической группе - р.гип1си1овит и А.огугав - значительно большей радиальной скоростью роста, а также большей периферической зоной роста, при относительно близких величинах биомассы в равных условиях среды, что говорит об аффективной стратегии поиска и утилизации субстрата у копиотрофных микроорганизмов, позволяющей им доминировать в сообществе при наличии легкодоступного мономерного субстрата в почве.

Влияние глюкозы на.активность гидролитической ■ группы почвенных микроорганизмов ..

Исходя из определения, высокие концентрации мономерного органического субстрата обеспечивают прещ^щественное развитие копиотрофов. Как было показано (Шзов, 1985; Гузев с соавт;, 1986), микроорганизмы гидролитической группы при наличии моно. мерного субстрата, в соответствии с механизмом кат&болитной репрессии, теряют основное свойство, обеспечивающее ям преиму-' щественное развитие на полимерных субстратах - способность синтезировать экстрацеллвлярные гидролитические ферменты. Следствием этом является переход гцдролитиков в неактивное состояние. В связи с этим одна из задач нашей работы заключалась в количественной оценке влияния реальных для почвы концентраций глюкозы на процесс подавления активности гвдролитиков.

Обработка целлофана глюкозой существенным образом влияет на процесс его микробиологического разрушения в дерново-подзо-^листой почве. Глюкоза вносилась в^концентрациях 0(05; 0,13;

-100,25 г на I Г полимера. При увеличении концентрации глюкозы» за» кономерно увеличивается период времени, за который происходит 50%-ное снижение прочности целлофановой пленки (T§q) (рис,31> При концентрации глюкозы 0,05; 0,13 и 0,25 г на, X г целлофан* величины TgQ равны соответственно 100, 150 и 235 ч, тогда как * контрольной варианте - без глюкозы - 80 ч. Однако, независимо от концентрации глюкозы, в том числе и без нее, наклон кривых» ойя* сывающих динамику, процесса деструкции полимера, остается постоянным, что свидетельствует о его постоянной скорости. В вариантах с глюкозой начало процесса разрушения целлюлозы задерживается во времени, И период задержки тем больше, чем ■Шве концентрация глюкозы.

Эффект пролонгированной катаболитной .регрессии во. многом определяется концентрацией минеральшх солей в почве (Шзов с соавт.,1088). В диссертационной работе показано, что добавление в почву минеральных солей ( { - 0,5 мг на I г почвы,

tyjP04 - 2,5 мг/г, KgSO^ - 2,5 мг/г, НаСХ _ 2,5 мг/г почвы) при концентрациях глюкозы 0,4 мг на I г почвы, I мг/г, 2 мг/г, ■ 4 мг/г почвы сократило период задержки до 10, 36 и 50 часов соответственно. Как было изучено ранее, такой период времени, определенный {юсп^рометрическим методом, необходим для утилизации глюкозы почвенными микроорганизмами (Эль-Нага, Паников, 1983), Исходи из этого, "чистое" время последействия глюкозы на разложение целлюлозы в почве можно определить как разницу ыеладу окончанием процесса утилизации в почве глюкозы и началом деструкции полимера.'При концентрациях глюкозы от 0,4 до 10,0 иг на I г дерново-подзолистой почвы этот период составляет от 10 часов до 16 суток. Подобные закономерности получены при изучении динамики разрушения целлофана в подзолистой почве и черноземе.

.Давление разрыва целлофановой плети

Бремя а часах

Рас.З, Дзкадаяа разгуиения целлофана в почве после его обработки глюкозой в концентрации эхЮ~2г/г (V, 1,3х10-1 ©» г.ЭхЕГ1 © и без обработка ф ; соотношение иелго£ана с почвой 1:100

Давление разрыва целлофановой плеют

ВрегАЯ в часах

Рис,4.' Динамика разрушения целлофана в почве ■ после его обработки натгенатом три в концентрата ?,5х10-5г/гЭ. 5И0_3С). 2,5x10ОД ф , 0,4 ф и без обработанО; соотношение целлофана с потаэЗ 1:100

При обработке целлофана нафген&том меди процесс деструкции полимера лишь замедляется, не прекращаясь дало при соотношении целлофангтоксикант - 1:1. Скорость разрушения полимера в почве снижается по мере увеличения концентрации ингибитора (рис.4). Так, если величина Т^д для пленки, обработанной растворителем без нафтената меди, соответствует 68 часам, то для нафтената меди в концентрациях 5 х КГ3, 2,5 х 1СГ2, 0,1 и 0,4 г на I г полимера она равна 77, ПО, 145 и 218 часам соответственно. Аналогичные закономерности разложения целлюлозы в почве были получены при обработке полимера различными концентрациями бордоской жидкости, .тилта и байлетона. Общим свойством Испытанных токсикантов является их способность замедлять; но не останавливать процесс деструкции полимера в почве, причем скорость этого процесса закономерно снижается при увеличении концентрации пестицидов.

Особый интерес представляет сравнение кривых динамики процессов разрушения целлюлозы, обработанной токсикантами и глюкозой. Форма этих кривых отражает принципиальное различие в механизмах защитного дейотвия микробных токсикантов, и мономерного питательного субстрата: в первом случае происходит снижение скорости процесса рад рушения полимера, а во втором - задержка его ' начала. Расчетное графическое отображение*влияния концентрации действующих агентов на значение Тзд свидетельствует о возрастании защитного действия реагентов при увеличении их концентраций по степенной зависимости (рис.5). В области минимальных дейст-. вующих концентраций глюкоза оказалась наименее, активной. Однако в области более высоких концентраций ее действие сопоставимо, с действием токсикантов. Так, увеличение на 7 суток по сравнению с контролем периода времени, в течение которого происходит \ 505£-ное снижение прочности целлофана, достигается при испольэо-

.Период 50£-ного сянжеюя прочности целлофана 2 часах

« <мюа «до о,м м 1,0

. Кошеятрадая реагента в г/г колшера

Рзс.5. Влияние сульфата ыедзф, нафтеаата меда ф и глюкозы О на протзостнке свойства целлофана, лтдг&цягшого в потае; соотношение • целлофана с псгавоЗ 1:100;' масштаб логариу.пгчес-кий

N ♦ -

»

» п

с+ в

* О

Л

I

а о

м -».

к

0

г*

1

■»

м «

о

г.

)

а

ваши на I г целлофана 0,03 г бордоской жидкости, 0,3 г глюкозы и 1,0 г нафтената меди. Глюкоза оказалась эффективней нафтената меди в 3 раза.

3. Развитие микроорганизмов хопиотрофной группы в почве

В соответствии с определением, активность копиотрофной группы, а следовательно, и ее преимущественное развитие проявля ется При возникновении повышенных концентраций маномерного субстрата в почве. С целью изучения микробного сообщества почвы, инициируемого мономерным углеводом, в лабораторных условиях был проведен опыт с внесением в дерново-подзолистую почву глюкозы -от 0,4 до 10,0 мг/г почвы. При концентрациях глюкозы вше 1,0 иг/г на поверхности почвенной пластинки развивается микробное сообщество с доминантными микромицетами Ыиоог £изсиз и Ао-ЬШоюисме е1ееапз (рис.б).

В работе изучали микробное сообщество дерново-подзолистой почвы, инициируемое совместным внесением в почву крахмала и ком плекса амилолитических ферментов - амилазы и гдюкоамилазы (I ед активности на I г почвы). Об активности внесенных в почву ферментов судили' косвенно ре спирометрическим методом по увеличению выделения СО^ при разложении крахмала. Контролем еду жила почва с ферментами, но без крахмала. Инициированное крахма, лом и комплексом амилолитических ферментов микробное сообщество дерново-подзолистой почвы по структуре и составу доминирующих, часто и редко встречающихся видов принципиально отличается от сообщества, инициированного только крахмалом, и идентично сообществу, которое было получено при внесении в почву глюкозы в концентрациях от 1,0 до 10,0 мг/г почвы (рис'.б). Доминирующими организмами в таком;сообществе являются микромицеты Ыисог

fuacus и ActlDomueor eleeans . Таким образом, стюуляция развития копиотрофных микроорганизмов в почве может происходить При наличии избытка полимерного субстрата совместно с высоким пулом специфичных к нему почвенных ферментов.

Изучено микробное сообщество дерново-подзолистоЯ почвы, которое инициируется выделениями прорастающих семян растений. Установлено, что в слое почвы вблизи прорастающих семян пвенида концентрация глюкозы может доходить до 2,0 мг на I г почвы. В этих условиях в дерново—подзояистой почве развивается сообщество микроорганизмов, доминирующими формами в котором являются микро-мицеты lluoor fиз сиз и Actinoiaucor elegans, т.е. те же, что и при внесении в почву глюкозы. Подобные сообщества микроорганизмов были получены при проращивании на дерново-подзолистой почве тринадцати различных видов растений (рожь, соя, фасоль, горох, кресс-салат, горчица, перец, кинза, помидоры, огурцы, петрушка, редис и укроп). Идентичность доминантных фори микроорганизмов при проращивании различных растений свидетельствует о единой причине стимуляции развития копиотрофов в почве в рассматриваемых условиях, которая мажет быть связана с экскрецией растениями в почву мономерных органических веществ.

Из приведенных результатов видно, что высокие концентрации мономера в почве могут образовываться как при экскреции органических веществ прорастающими семенами растений, так и при наличии высокого пула гидролитических ферментов в почве совместно с полимерным субстратом, & также при внесении мономеров. При этом преимущественное развитие получают копаотрофные микроорганизмы.

На одном и том же образце дерново-подзолистой почвы были осуществлены последовательные 5-кратные посевы семян пшеницы, ячменя, ржи и сои. Когда проростки достигали 15-20 см длины, они-

- IS -

отделялись от почвы и последняя высушивалась до воздушно-сухого

состояния. Новый этап проращивания начинался с увлажнения почвы

*

до 60% от полной влагоемности и посева в нее семян растений. При: многократном проращивании семян в лабораторных условиях на одном и том же образце почвы происходит поэтапноо увеличение плотности популяций копиотрофных микроорганизмов. Так, при многократном Проращивании семян пшеницы на поверхности почвы активно развива- -ются копиотрофные микромицеты Uucor ruscus и Actinonuoor elegans , плотность биомассы которых на 7-е сутки после посева, выраженная в длине мицелия, увеличивается от 120 м/см^ при пер- . вом посеве, до 260 м/см^ при пятом.

При посеве семян ппеницу на образцы выщелоченного чернозема из варианта полевого опыта с монокультурой шенида (59 лет)'по-верхнэсть почвы покрывается плотным слоем мицелия (230 м/см^) микромицетов Uucor sp. и EM z opus niger. На почве севооборота плотность тех же организмов при посевах пшеницы достигает не более 60 к/см^. Внесение глюкозы в почву варианта полевого опыта с монокультурой в концентрациях от.I до 10 мг/г почвы инициировало развитие микробного сообщества, в котором доминирующим был микромицет RMzopua nlger , часто встречающийся Uueor sp. Конкурентное преимущество микромицетов fi.nieer и Uucor ар. при. внесении в почву мономерного органического .субстрата позволяет отнести указанные организмы к копиэтрофной функциональной груше.

Внесение крахмала в образцы этой ке почвы инициировало также развитие микробного сообщества с доминантными микромицвтами Uucor ер. и Rhinopus nieer . Эти микроорганизмы выделили в чистую культуру и выращивали на почвенном агаре с крахмалом , (20 г/л). Качественная реакция на крахмал с реактивом Люголя ке показала зон разложения полимера, что свидетельствует об отсут-

ствик у этих организмов экстрацеллклкркых амилолитлческих ферментов. В связи с этим, их доминантное развитие в микробном сообществе, инициированном крахмалом, возможно только за счет высокого пула гидролитических ферментов в почве, которые гидроли-эуют внесенный крахмал до глюкозы.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что в условиях монокультуры возможно обогащение почвы микроорганизмами копиотрофной группы.

4. Роль микроорганизмов копиотрофной группы в образовании почвенного токсикоза

При многократном проращивании пшеницу, рти, ячменя и сои на одном и том же образце почвы помимо возрастания плотности популяций микроорганизмов копиотрофной группы, происходит постепенное падение всхожести растений. Тест на токсичность показал, что каждый по следующий этап выращивания растений характеризуется увеличением токсикоза почвы, о чем говорит падение всхожести тест-растения (ряс. 7).

Для выяснения потенциальной возможности выделения токсинов микроорганизмами копиотрофной группы, был поставлен эксперимент, в котором ранее выделенные из почвы мивромицеты копиотрофной группы - Иисог И АсЫпотиоог аД-евало И гидролитической

группы - Peni.cilli.uta £цщ±си1оаип1 и АврвгбШхш 0171а в попарно в разных комбинациях выращивали в чашках Петри на почвенном агар« с глюкозой. Через 7-10 дней инкубации регистрировали искажение формы колоний, по которому определяли характер влияния одного организма на другой. Полученные результаты продемонстрировали наибольшую токсинообразуюцую активность Рвп1-1ип1си1оаи1й , что согласуется с литературными данными.

I

Ю0

so

to

40

20

I НРСШРНШВ

¿_J_

г ПРОИЭДШВ ■ 3 ПРОШИВШИЕ

?:гс. 7. ;'зж пение степени тсжсячкосяг пеулово-■,:эдзол;:стоЯ почвы лосле_многократного прораш--^гчтгл семти; J - раш, Ц - язденя, SI - пзэшща, а - соя

BûxosecTK

m

во ю

40

at

UQETOimpi

■^-JLJL

яшкит

шггроль

Рис»5. 'ísmí'Iít.'ic! cTfiTi^tm токсично с ti*, вотолэ-чеиного чет-ээзда тгр;; р.щ>еекг:1 гюхэзы ъ кол-цептшег:: j ;л/г -/, 0,1 :.:г/г -/7, Г ;дг/г -# , 2 ;лг/г -Л7

Вместе с tei»'., хотя и в меньшей степени» микро организуя i копио-Tpoímo.l группа также_лроявляют антш/.икробную активность. В силу этого, образование 1ликробногс фитотоксикоза почвы может явиться следствием обогащения ее то к сиш образующими микроорганизмами яо-пяотрофнэй группа.

. Изучалась токсичность почвы агроценоза, на которой 59 лет культивировали монокультуру пиеннцы. В качестве контроля были использованы почвы севооборота и луговая почва. Всхожесть семян тест-растения на образцах почвы под лугом составляет IOOJ, т.е. токсикоз почвы отсутствует. На почве севооборота всхожесть составляет 702, тогда как на почве под монокультурой только В исследуемые почвы вносили глюкозу в следующих концентрациях: 0; 0,4; 1,0; 2,0 кг/г почвы. После 5 дней инкубации почвы указанных вариантов с различными концентрациями глюкозы, обеспечивающей обогащение почвы копиотрофами, она проверялась на токсичность. На почве иэ варианта полевого опыта с монокультурой пшеницы по-прежкецу отмечался сильный токсикоз Í3-10Í всхожести кресс-салата) независимо от концентрации глюкозы (рис.8). На почве севооборота всхожесть семян кресс-салата составляла:.без гяпкоэы - 70X; 0,4 иг/г - I5Í; 1,0 мг/г - I7J; 2 мг/г - 3JE, т.е. по мере увеличения вносимой концентрации глюкозы, почва приобретает более ярко выраженные тохсичесхие свойства. На контрольной почве - из-под луга - разовое внесение глюкозы не повлияло на процент всхожести тест-растения (рис.8).

Таким образом, одной из причин почвоутомления в arpo ценозе с монокультурой может быть увеличение микробного токсикоза почвы за счет ее обогащения токсинами копиотрофов. Обнаружено, что различная интенсивность антропогенной нагрузки на почву коррелирует с образованием фитотоксикоза. На основании атих резуль-

таюв был разработан способ индикации степени токсикоза почвы в агроценозе, образующейся за счет развития ко™ о тронов. Степень выраженности токсикоза почвы обратно пропорциональна концентрации глюкозы, внесение которой вызывает токсикоз. При наличии нескольких вариантов почв о разной степенью выраженности токсикоза максимальным он будет в той, в которую для его выявления необходимо внести минимальную концентрация глюкозы. Так, согласно эксперименту, почва контрольного варианта, не обладающая микробной фи-тотоксичностью, не проявляет ее и при разовом добавлении 0,4, 1,0, 2,0 мг глюкозы на I г почвы. Почва севооборота обнаруживает токсикоз при концентрации глюкозы 1-2 мг/г почвы. Почва монокультуры обладает фитотоксическими свойствами при всех вносимых в нее концентрациях глюкозы.

*

0БСУЗДЕН1ГБ РЕЗУЛЬТАТОВ

Полученные в работе результаты имеют значение для более полного представления закономерностей функционирования микробной .системы почвы в процессе деструкции органического вещества.

Изученные микроорганизмы гидролитической и копиотрофной груш продемонстрировали способность расти на богатых питательных средах ±n vitro, что подтвердило правомерность их отнесения к эвтрофной группе организмов. Однако целесообразность разделения эвтрофов на две группы - гидролитическую и когшотрофцую вытекает из различных функций этих групп микроорганизмов в природе.

Данные, полученные в работе, свидетельствуют в пользу представлений Г.А.Заварзина (1976) о гидролэтиках како микроорганизмах, единственно способных проводить процесс деструкции полимерного органического вещества vitro. Вместе с тем, по-

лученные нами результаты подтверздамт исследования Б.А.Влзова (1905) и В.С.Гузева с соавт.(1086), в которих било обнаружено, что микроорганизмы атоП группы в почве большую часть времени пре бывают в неактивном состоянии и, что эта закономерность находится в зависимости от наличия в среде мономерного питательного суб страта» С помощью разработанного метода целлофановых мембран нами показано* что период' микробостатичного состояния гидролитиков находится в прямой зависимости от концентрации мономерного питательного субстрата в почве. Такой субстрат оказался эффективным регулятором процесса микробной деструкции, а сила его воздействия на этот процесс сопоставима с действием биоцидов. Эти результаты могут сдужйть косвенным доказательством того, что экс-яретируемые корнями растений мономерные вещества, в том числе и глюкоза, предохраняют поверхностные.ткани от разрушения микроорганизмами гидролитической группы, тем самым выполняя функцию защиты. По-видимому, обнаруженный способ регуляции активности микроорганизмов гидролитической группы позволит в будущем подойти к проблеме управления микробными процессами с позиций экологически оптимизированных воздействий.

■ Переход в состояние покоя микроорганизмов-гидролитиков не означает прекращения функционирования микробной системы почвы в целом. Известно, что почвенные ферменты способны длительное время функционировать в отрыве от продуцирующих их микроорганизмов (Звягинцев, 1967; Вития ,1983). Поэтому возникающий на стадии активности гидролитиков цул почвенных гидролаз будет определять скорость дальнейшего разложения полимеров • в почве. Образующиеся при этом мономеры будут потребляться другими функциональными группами микроорганизмов - копиотрофами или олиготрофами. Таким образом, экспериментально полученные в работе результаты овиде-

телъствуют в пользу того, что функциональная роль микроорганизмов гидролитической групш сводится не столько к непосредственной деструкции природнь-х полимеров, сколько к продуцирования к накоплена пула гидролитических ферментов в почве.

Как показано в работе прямыми экспериментами, активный рост копиотрофов проявляется при наличии в среде высоких концентраций мономеров. Такие ситуации наиболее типичны для почвн при попадании мономеров из вне и при образовании высокого пула гидролитических ферментов почвы совместно с избытком полимерного субстрата. Физиологические свойства*данной группы макроорганизмав позволяют им в этих условиях успешно конкурировать с другие группами и доминировать в микробном сообществе почеи. Токсичность высоких концентраций мономерного субстрата для слиготронов отмечалась многими исследователями (Никитин, Никитина, IE78; Роindexter ,1981). Стгжение концентрации мономеров в почве создает условия, при которых олиготрофнне" микроорганизмк получ&ат преимущественное развитие. Тек-самым- коп потроши предохраняют олиготрэфных микроорганизмов от подавляющих их развитие высоких концентраций мономерного Субстрата, Из сказанного следует, что роль копиотрофов как функциональной группы микробной системы почвы сводится к быстрому сн;игенига концентрации мономеров до определенного значения.

В настоящее время ми нроэргашзмам-гидролити нам отводят основную роль в образовании микробного токсикоза почвы (Мирчинк, IS8S). Результаты работы показывавт, что копиотрофние.мккромиЦе-ты также способны образовывать фитотокелнк в печве. В связи с этим, при наличии определенна условий, приводящих к увеличен;'.» плотности популяций ?т;гх организмов в почве, вээлежп возникновение почвоутездешт за счет накоплепиг тчссикок ;it иккрооргиниз-

нов копиотрофной группы. Такая разновидность почвоутомления была отмечена в агроценозе с выращиванием монокультуры поеницы. Данноё положение расширяет наши представления о природе возникновения токсикоза почвы.

ВЫВОДЫ

1. Экспериментально аргументировано разделение группы эв-трофных микроорганизмов на гидролитическую и копиотрофну» группы. Особенность гидролитических организмов заключается в способности продуцировать экстрацеллюяярные гидролазы. Копиотрофные организмы характеризуются высокой скоростью потребления мономеров при большой их концентрации в среде.

2. Преимущественное развитие копиотрофов в системе почвенных микроорганизмов имеет место в случаях создания повышенных концентраций мономерного субстрата в среде. Наиболее типичны для почвы такие ситуации при попадании мономера из вне и при образовании высокого пула гидролитических ферментов почвы совместно с избытком полимерного субстрата.

3. Разработан метод целлофановых мембран, позволяющий оценить целлюлозолитическуп активность почвы и характер влияния на нее различных воздействий,

4. Ионо%гернкЯ органический субстрат, одновременно с активацией копиотрофных микроорганизмов, на длительное время пропорционально концентрации подавляет активность микроорганизмов гидролитической группы. Регулирующее воздействие мономерного субстрата сопоставимо с эффективностью действия промышленных препаратов токсического действия. , "

3. Микроорганизмы копиотрофной группы способны образовывать токсины в почве. В почвоутомленных агроценоэах накопление

микробных токсинов может быть связано с активны* развитием ко-пиотрофов.

б. Разработан способ индикации токсинеобразования копиотро-фами в почве, позволявши дифференцировать степень его развития. Способ основывается на установленной обратной корреляции возрастания микробной ф:1ТОтоксичности с внесением в почву различных доз глюкозы.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Применение метода инициируемого ¡.^крпбного еу^З-цества для индикации почвоутомления // В кн.: Теэясы ЯТ съезда Всесоюзного микробиологического общества. - "Паука". - ¡Саз.ССР, Алма- . Ата,- 1265. - $ 6. - С. 48. (соавт. В.С.Гуэев).

2. Копнотро£ы как функциональная группа млирлбнзй системы-почвы // В кн.: "Тезисы ресцуб.конф. "Пути повышения эффективности сельскохозяйственного производства".. - Вильнюс.- 198С. -

С. 135.(соавт.В.С.Гуэев).

3. Новый метод изучения процесса разложения целлюлозы в почве,загрязненной тяжелыми металлами // В кн.: Тезисы II Всесоюз. конф."Тяжелые металлы в окружающей среде и охрана природа4.- М.-1587. - С, (соавт.В.С.Гуэев, С.В.Левин, Д.Г.Звягинцев),

4. Функциональная структура зимогенной части микробной системы почвы // Изв.АН СССР, сер.биол.- 1586; - № 5,- С,735-746. (соавт.В.С.Гуэев).

5. Альтернативные способы предохранения целлюлозы от микробного разрушения // Изв.АН СССР, сер.б;юл,- 1988,- - 1Р 3, -С.466-471 (соавт.В.С.Гуэев, С.В.Леекн). ;*;'.'-

6. Концептуальная модель микробной систем пзчбу // Б кн.:-Биотехнология иикро организм о в в соль с к о;.» хозяйстве / Под ред. А.И.Пупэнина.- 1988. (соавт. В.С.Гузее). .

Л-77674 25.10.88 г. Объем РЛ п. л.

Заказ 2707.

Тираж 100

Типография Московской с,-*, академии нм. К- А, Тимирязева 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 44

бесплатно

• • '. т . ■