<<
>>

МИКРОБНАЯ СУКЦЕССИЯ В ПОЧВЕ


Для понимания функционирования комплекса почвенных микроорганизмов все исследования необходимо проводить в динамике. Это относится и к определению количества микроорганизмов, и к определению качественного состава, выделению микробов-продуцентов физиологически активных веществ, и к ферментативной активности почв.
Многие показатели биологической активности почв настолько динамичны, что их одноразовое определение только вводит в заблуждение. Показатель полевой биологической активности почв иногда оказывается настолько изменчивым, что один-два раза его вообще не стоит определять, хотя в принципе ясно, что он дает очень тонкую и точную характеристику места и момента исследования. Были сделаны попытки увеличить повторность определений, делать их в различных точках сравнительно большой исследуемой площади и т.д. Все это повышает точность определений, но без учета фактора временной динамики сделать какие-либо серьезные выводы нельзя. В последнее время появилось новое представление о том, что временные изменения не случайны и обусловлены не только внешними воздействиями, но во многом определяются внутренними событиями, происходящими в почве и в комплексе почвенных микроорганизмов. В системе почва-микроорганизмы происходят закономерные и планомерные изменения количества и качества микроорганизмов, направленности и напряженности микробиологических процессов, это и называется микробной сукцессией. Под этим понимаются последовательные закономерные изменения в комплексе почвенных микроорганизмов и в происходящих микробиологических процессах независимо от того, приведут ли эти изменения (сукцессия) к установлению новой микробной системы или же система вернется в первоначальное состояние. Закономерная микробная сукцессия облегчает изучение временных изменений.
Четкое определение микробной сукцессии в почве в природе достигается с большим трудом из-за появления непрогнозируемых, случайных факторов, которые затрудняют получение общей картины.
В природе микробная сукцессия наиболее четко и просто может быть прослежена в лесной подстилке. Хорошо сформировавшаяся лесная подстилка состоит из трех слоев: L (leafs) — опавшие листья, F — ферментационный и нижний Н (humus) — гумусовый. Верхний слой состоит из листьев, опавших в текущем или прошлом году, слой F включает растительные остатки, опавшие два-четыре года тому назад, слой Н состоит из материала 5-10-летней давности. Изучая микроорганизмы и процессы в разных слоях, исследователь может единовременно получить картину изменений почвенной биоты и вызываемых ею процессов на протяжении 5-10 лет. Строение лесной подстилки является результатом сменяющих друг друга этапов разложения растительных остатков, обусловленных сменой функционирующих комплексов организмов, т.е. микробной сукцессией. Происходит «конвейерная» переработка растительного материала.
Для слоя L характерно обилие и высокое разнообразие организмов. В этом слое много эпифитов и других организмов, попадающих в подстилку с опадом: высока доля грибов, много мак- ромицетов Marasmius, Мусепа и Collydia, много неспороносных бактерий, в большом количестве встречаются нематоды, коллем- болы и панцирные клещи — орибатиды.
В слое L происходит разложение сахаров, крахмала, пектина и белков.
В слое F отмечается самое активное дыхание за счет очень высокой численности и активности микроорганизмов, разнообразие которых велико. Преобладают базидиальные грибы и мик- ромицеты — представители экологической группы деструкторов целлюлозы: Chaetomium, Trichoderma, Mycogonea. Им сопутствуют бактерии гидролитики. В этом слое особенно много микроартро- под — коллембол, клещей. Здесь идет распад устойчивых полимеров (целлюлоза, хитин, ксиланы, лигнин). Одновременно происходит синтез меланинов, входящих в гуминовые кислоты.
В слое Н в результате уменьшения содержания доступных органических веществ снижается общая численность организмов. Уменьшается интенсивность дыхания. Снижается разнообразие грибов. Из бактерий остается много актиномицетов, коринеформ- ных бактерий и бацилл. Здесь завершаются процессы распада сложных полимеров и накапливается гумус. В гумусовом слое большую долю составляют выбросы дождевых червей и других беспозвоночных.
При переходе к минеральным горизонтам почвы резко меняется состав экологических и таксономических групп организмов.
В группе мелких членистоногих (микроартропод) по мере сукцессии происходит смена доминирования поверхностных форм подстилочно-почвенными, а затем почвенными. Наиболее заметна эта смена у нематод, менее — у ногохвосток, еще менее — у панцирных клещей (Н.М. Чернова)
В разных условиях минерализация опада сильно различается. В тропическом лесу, где круглый год держатся высокие температуры и влажность, ежегодный опад полностью разлагается, благодаря чему почва здесь голая, без подстилки. В хвойных лесах Севера с коротким периодом положительных температур опад разлагается медленно и накапливается в силу климатических условий и из-за химического состава хвои.
Изучение сукцессии в почве лучше производить в модельных, более стабильных условиях (по сравнению с природой), что достигается при работе с почвенными образцами (микрокосмами), помещенными в лаборатории в контролируемые условия температуры, влажности и снабжения питательными веществами. Необходимо создать условия, которые дают начало протеканию сукцессии, и затем следить за ней при относительно неизменных внешних условиях. Начало сукцессии может быть наиболее просто задано увлажнением сухого почвенного образца, причем до разных уровней влажности (низкого, среднего, высокого) или внесением в почву различных органических веществ (сахаров, хитина, целлюлозы, лигнина, нефтепродуктов, антибиотиков), минеральных удобрений, тяжелых металлов, пестицидов идр. После изучения простой сукцессии, протекающей при относительно стабильных внешних условиях, часто необходимо вводить в действие дополнительные факторы: температурный стресс, внесение определенной микробной популяции, повторное внесение органического вещества или добавление другого органического вещества.
Сукцессионные изменения проходят вполне закономерно, в определенной последовательности, так что их можно предсказывать. Основная ценность такого изучения состоит в том, что оно дает возможность подойти к разрешению общих проблем регуляции микробиологической активности почв. Однако имеет значение и определение особенностей протекания сукцессии в почвах разных типов, разной степени окультуренное™, установление степени гомеостатичности, проявляющейся в разных почвах при воздействии внешних возмущающих факторов, определение возможных пределов отклонения от нормы и возможности возврата к норме.
Для наблюдения за микробной сукцессией в почве используются различные критерии. Определение в динамике общей численности и биомассы бактерий с помощью люминесцентно-микроскопического метода при окрашивании акридином оранжевым. Определение длины гиф грибов и численности их спор при окрашивании калькофлуором белым (люминесцентная микроскопия) и расчет их биомассы. Определение динамики численности бактерий на питательных средах с помощью чашечного метода. Определение динамики численности микроорганизмов на различных питательных средах для аэробных и анаэробных, ли- тотрофных и гетеротрофных, термофильных, мезофильных и псих- рофильных бактерий. Расчет коэффициента К, показывающего отношение числа бактерий, определяемых прямым микроскопическим методом, к числу бактерий на питательной среде. Определение численности грибов и актиномицетов методом посева. Определение средней радиальной скорости роста грибов и актиномицетов, выделенных на разных стадиях сукцессии. Метод зондирования, основанный на внесении искусственно маркированных микробных популяций для выяснения их выживания, поведения и динамики численности в ходе сукцессии и взаимодействия с развивающимися в процессе сукцессии почвенными микроорганизмами. Метод зондирования, основанный на внесении двух популяций и изучении их взаимодействия между собой и с комплексом почвенных микроорганизмов. Определение интенсивности определенных процессов в ходе сукцессии (потребление органических источников питания, интенсивности дыхания, азотфиксации, денитрификации, образования летучих жирных кислот идр.). Определение микробов антагонистов на разных этапах сукцессии. Определение доминирующих видов на разных стадиях сукцессии. Определение скорости дыхания, азотфиксации, денитрификации, выделения метана идр.
Сукцессионный подход в почвенной микробиологии использовался мало. Некоторые исследователи пытались проследить сукцессию почвенных микроорганизмов в связи с сукцессией растительности. Получены интересные сведения по изменению видового состава грибов, но такой подход не особенно перспективен при изучении принципов функционирования комплекса почвенных микроорганизмов. Перспективнее изучение сукцессии в мире микроорганизмов, когда в почве одни микробы во времени сменяются другими. Следует учитывать, что микроорганизмы размножаются значительно быстрее растений. Скорость их размножения в десятки и сотни раз больше. Поэтому сукцессионные события, которые для растений длятся десятки и сотни лет, в мире почвенных микроорганизмов происходят за несколько месяцев.
Сукцессионные исследования относятся к разряду биодинамических и во многом объясняют биодинамику почв. Несмотря на микрозональность почв, сукцессионные события проходят синхронно во всей почвенной массе, если агент, вызывающий сукцессию, действует одновременно во всех микрозонах (увлажнение, оттаивание, внесение в почву растворимого органического вещества).
Традиционный подход к изучению сукцессии предполагает исследование характера изменения видового состава, что подробно исследовано для грибов, особенно по разным слоям подстилки (рис. 132, 133). Изучение на видовом уровне дает гораздо более полную информацию, чем изучение на родовом уровне. В нижних горизонтах доминировал не весь род Mortierella, а только один из его видов.
Для характеристики микробного комплекса также используются интегральные критерии. Они представляют собой числовые величины, что удобно для сравнения. Микроорганизмы разделяют на группы в соответствии с их экологическими стратегиями. Выделено два крайних варианта экологических стратегий — г- и К-стратегии. Первая свойственна организмам с высокой скоростью роста, стремящимся занять как можно больше пространства, с нечетким стремлением к определенному уровню стабилизации, с относительно широкой нишей, простыми жизненными циклами, слабовыраженной зависимостью скорости роста от популяционной плотности, широким диапазоном уровней стабилизации. Они имеют больше шансов доминировать на ранних, ненасыщенных стадиях колонизации субстрата за счет высокой

Рис. 132. Распределение разных родов грибов по профилю дерново-подзолистой почвы



Рис. 133. Распределение разных видов грибов рода Mortierella по профилю дерново-подзолистой почвы


продуктивности и широты ниши. В равновесных ситуациях последних стадий сукцессии преимущество получают организмы с более высокой способностью к выживанию в условиях конкуренции, использующие источники питания с высокой эффективностью, с четким стремлением к стабилизации, со сложными жизненными циклами, с ярко выраженной зависимостью скорости роста от популяционной плотности. Это микроорганизмы, обладающие К-стратегией.
Приведем пример изучения сукцессии микроорганизмов в почве с использованием увлажнения: 1)без внесения субстрата, 2) с внесением глюкозы, 3) с внесением целлюлозы.
Классические методы посевов на обычные питательные среды позволяют выявить только небольшую часть почвенных микроорганизмов. Посев дает преимущественно информацию о микроорганизмах с г-стратегией. Это быстрорастущие микроорганизмы, создающие большие колонии за 3-5 дней. Об этом свидетельствует резкое увеличение численности колоний, учитываемых на МПА, среде Эшби, крахмало-аммиачном агаре и других сходных средах после добавления в почву глюкозы или другого легкодоступного вещества. Микробиологи всегда подчеркивали различия в численности микроорганизмов, вырастающих на обычных питательных средах, перечисленных выше. Однако правильнее подчеркнуть не различия, а их сходство. Отмечается общая закономерность: если при определенном воздействии на почву возрастает количество бактерий, учитываемых на одной среде, то оно увеличивается и на других средах. Явление обусловлено следующими причинами. Все эти среды и условия культивирования сходны, и на разных средах растут одни и те же или близкие виды бактерий, причем на этих средах могут расти только г-стратеги. Были сделаны попытки создания универсальной питательной среды, которая позволила бы учесть максимальное количество почвенных микроорганизмов. В качестве такой среды предлагалась среда с почвенным экстрактом или с почвой. Ясно, что посев на любую среду дает представление о численности только части микроорганизмов, пищевые потребности и кинетика роста которых соответствуют условиям, заданным в эксперименте. Причем метод посева позволяет даже среди микроорганизмов, удовлетворяющих этим требованиям, выделить лишь доминантные формы, так как посев производится из определенного разведения почвенной суспензии и те формы, которых было мало, просто не попадут в чашку с питательной средой. Если же делать посев из малых разведений, то получают сплошной рост микроорганизмов, и редкие формы все равно нельзя учесть. Для их учета нужны специальные элективные среды и условия. Разработкой этих сред и условий заняты микробиологи, изучающие узкие группы микроорганизмов, например «редких» родов акти- номицетов, ацидофилов идр. Для каждого рода или даже вида нужно подобрать свои условия, которые были бы наиболее благоприятны для его развития и в наибольшей степени элиминировали бы конкурентов. Это может быть подбор питательных элементов, их концентрации, pH, Eh, добавление различных антибиотиков, предварительное прогревание почвы, обработка ее ультразвуком, поверхностно-активными веществами.
Более полное представление о численности микроорганизмов в почвах дают прямые методы, и в частности метод люминесцентной микроскопии. Электронная микроскопия пока не дает возможности отличать микроорганизмы от коллоидных частиц почвы и не приспособлена для точного количественного учета.
Прямой микроскопический учет малочувствителен к колебаниям численности микробов отдельных групп, определяемых на той или иной питательной среде, так как представляет собой сумму множества таких групп. Обычно численность одной группы увеличивается, другой — уменьшается, а сумма остается довольно стабильной. Отмеченные особенности прямого учета не снижают его ценности. Однако прямой метод и метод посева дают взаимодополняющую информацию.
Различия прямого метода и метода посева вполне естественны, и подбор методов определяется целью исследования. Например, для определения биомассы микробов в почве пригоден только прямой микроскопический метод, а для описания изменений, происходящих под действием удобрений или пестицидов, — метод посева. Более перспективным является совместное использование информации, полученной с помощью обоих методов. Для наглядного представления об информации, которую дают два метода, рассмотрим следующее уравнение:
М\ + М0 = П\ + Я2 + Я3 + Я4+ П$,...,
где Л/, — численность бактерий, учитываемых прямым методом; М0 — частицы, которые ошибочно учтены как клетки; Пх — бактерии, учтенные на определенной питательной среде; Я2 — бактерии, которые могут быть учтены на других питательных средах; Я3 — медленнорастущие и не учитываемые по этой причине бактерии; Я4 — бактерии, которые могут развиваться на используемой питательной среде, но не вырастают из-за того, что находятся в состоянии стресса; Я5 — мертвые клетки, которые, однако, учитываются при прямой микроскопии.
Было обнаружено, что сукцессию хорошо характеризует коэффициент К:
„ _ М\ + Л/0 Я, ’
Для зрелых сообществ коэффициент К будет возрастать, а для молодых — уменьшаться. Коэффициент К возрастает, если растут компоненты, Я2 — рост разнообразия микроорганизмов, Я3 — возрастание числа медленнорастущих форм, Я4— клетки, находящиеся в состоянии стресса, включая голодание, Я5 — число нежизнеспособных клеток. Нарастание всех указанных свойств характерно для зрелых экосистем. Поэтому высокое значение К характеризует поздние стадии микробной сукцессии, где преобладают микроорганизмы с К-стратегией. Низкое значение К указывает на увеличение доли быстрорастущих бактерий (г-стратегов), что характерно для начальных этапов сукцессии. Результаты изменения коэффициента К (рис. 134, в) подтверждают положение о возможности его применения для индикации стадий микробной сукцессии. На седьмые сутки после внесения глюкозы К резко уменьшается, и показатели численности по данным микроскопии и посева различаются не более чем в 10-15 раз, а для почв с внесением целлюлозы и для контрольной почвы данные двух методов различаются в 50-60 раз при первоначальном различии в 220 раз. Показатель К постепенно возрастает, что указывает на

Рис. 134. Динамика численности почвенных бактерий в черноземе:
а — учет на МПА; б— данные люминесцентной микроскопии; в — динамика коэффициента К; г— изменение коэффициента К с учетом спорообразуюших бактерий. Внесено: / — глюкоза; 2— целлюлоза; 3— простое увлажнение. N— численность бактерий. Обозначения со штрихом даны для вариантов с учетом поправки на споры


изменение сообщества и прохождение стадий сукцессии, придем возрастание больше выражено в вариантах с целлюлозой и с увлажнением почвы. Внесение мономера, полимера и даже просто увлажнение привели к омоложению системы, наиболее существенному в варианте с глюкозой.
Для анализа вопроса о более медленном возрастании коэффициента К в варианте с глюкозой на поздних этапах опыта исследовалось отношение количества споровых бактерий к общему числу бактерий, вырастающих при посеве на МПА. Выяснилось, что здесь высок процент спорообразуюших бактерий, а их доминирование наиболее сильно проявляется после месячного культивирования почвы с глюкозой.
Очевидно, бактериальные эндоспоры нельзя причислять к микроорганизмам с r-стратегией и при вычислении коэффициента К нужно ввести поправку. От обшей суммы бактерий, выделяющихся на богатой питательной среде (ЯД, необходимо вычесть сумму спор. Измененный коэффициент Ки представлен на рис. 134, г. В варианте с целлюлозой, где число спор составляло примерно 30% и практически не изменялось в течение опыта, К„ менялся незначительно.
Иная картина наблюдалась при внесении в почву глюкозы, где после 35 сут. начинается резкое возрастание К, которое можно объяснить, учитывая, что первоначальное внесение глюкозы повлекло за собой увеличение количества бактерий, обнаруживаемых при посеве, в том числе и споровых. В ходе сукцессии количество неспорообразующих бактерий уменьшается, а споро- образуюшие сохраняются длительное время в виде спор, и их относительное количество возрастает к концу опыта. Поэтому информация о внесении глюкозы отражается в коэффициенте К даже спустя 80 сут. от начала исследования.
Коэффициент К является важным показателем, по которому можно судить о стадии микробной сукцессии в почве. Он также пригоден при сравнении микробных сообществ в различных горизонтах почвенного профиля. Коэффициент К изменяется от подстилки к верхнему почвенному горизонту от 10-15 до 200— 300, а в нижних горизонтах возрастает до 1000-1300. Результаты изучения динамики коэффициента К в разных горизонтах чернозема убеждают в том, что микрофлора горизонта Лаерн с самого начала более «молодая» по сравнению с горизонтом АВ. Это понятно, поскольку именно в верхние горизонты поступает растительный опал, и скорость размножения микроорганизмов здесь значительно выше по сравнению с нижележащими горизонтами,

что выражается в закономерном увеличении значения К вниз по почвенному профилю. Другими словами, в верхних горизонтах почвенного профиля как бы поддерживаются ранние стадии сукцессии, а внизу профиля существуют более «зрелые» микробные сообщества.
Теоретически возможны несколько типов сукцессий. Рассмотрим некоторые из них, наиболее характерные для почвенных микроорганизмов. Динамика коэффициента К в разных случаях принципиально отличается (рис. 135). тип. Численность микроорганизмов, учитываемых методом посева, растет на первых этапах сукцессии и постепенно падает на последующих при почти неизменной численности микроорганизмов, учитываемых прямым методом. В этом случае более высокие значения К наблюдаются в поздние сроки, а более низкие — в
Рис. 135. Четыре типа сукцессий почвен-
ных бактерий (/-/И):
/V — численность бактерий, учитываемых прямым микроскопическим методом (/) и методом посева (2); К— отношение численности бактерий по прямому методу к численности бактерий по посеву
начальные. Последнее связано с падением разнообразия микроорганизмов в системе, доминированием г-стратегов (быстро развивающихся форм). Этот тип сукцессии наблюдается в почвах, инициируемых увлажнением или внесением легкодоступного субстрата. тип. Численность микроорганизмов, учитываемых двумя методами в начальные сроки, возрастает, а затем сближается. В подобных системах «зрелые» стадии сукцессии вообще не достигаются. По этому типу идет сукцессия в ризоплане растений. тип. Учитываемая методом посева группа r-стратегов получает селективные преимущества в системе и становится главной, разнообразие в сообществе непрерывно падает, коэффициент К приближается к единице. Такую ситуацию можно наблюдать в экосистеме, где основная масса бактерий подавляется введенным извне антибиотиком, а одна из групп бактерий (г-стратегов) устойчива к нему.

IVтип. Селективное преимущество приобретает группа К-стра- тегов. Может происходить резкое падение численности всех групп микроорганизмов, но учитываемая методом посева группа r-стратегов падает быстрее, чем общая численность. При этом общее разнообразие микробов в системе уменьшается, а коэффициент К растет. Эта ситуация возникает при воздействии на экосистему экстремальных условий, когда преимущество получают устойчивые формы (например, споры, цисты, некульти- вируемые формы).
За исключением последней ситуации (IVтип сукцессии), во всех случаях наблюдается взаимосвязь между ростом коэффициента К и увеличением количества К-стратегов, что позволяет применять этот показатель как индикатор изменений, происходящих в комплексе почвенных микроорганизмов.
Однако имеются системы, где отсутствуют «поздние» стадии сукцессии, и нарастание разнообразия здесь связано не с развитием К-стратегов, а с развитием различных групп г-стратегов (ри- зоплана). Чтобы иметь точное представление о направлении сукцессии, нужно знать динамику коэффициента К во времени. Для анализа различных экосистем сопоставление коэффициентов К должно проводиться с указанием абсолютных значений численности микроорганизмов и этапа сукцессий, к которым относятся сопоставляемые значения.
Охарактеризовать изменение грибов в процессе сукцессии очень важно, так как они часто являются главным активным компонентом почвенной биоты. Актиномицеты объединяются с грибами; обе группы являются мицелиальными микроорганизмами и в их экологии много общего.
Методы изучения грибов и актиномицетов, как и бактерий, связаны либо с прямой микроскопией почвы, либо с посевами на питательные среды.
Учет длины гиф актиномицетов проводится на препаратах, окрашенных акридином оранжевым вместе с бактериями. Гифы грибов и их споры учитываются в люминесцентном микроскопе при их окрашивании калькофлуором белым.
Посев грибов обычно производят на подкисленную среду Чапека, сусло-агар или другие среды для грибов. Основная трудность при интерпретации метода посева состоит в том, что нельзя разграничить колонии, выросшие из мицелия или из спор. Очень информативным оказалось совокупное использование данных прямого микроскопического метода и посева на питательную среду.
Необходимо отметить большое (в 5 раз) возрастание длины мицелия грибов в течение первой недели после внесения в почву глюкозы. В остальных вариантах наблюдается 1,5-2-кратное увеличение длины мицелия.
Возрастание числа колоний по посеву наступает либо почти сразу (со вторых суток), либо после небольшого снижения показателя численности, которое можно объяснить тем, что в исследованном образце до его увлажнения и внесения питательных веществ грибы находились в состоянии спор.
Чем больше возрастает численность грибов по посеву после внесения питательных веществ, тем медленнее происходит или не происходит ее снижение на поздних этапах сукцессии. При резком уменьшении длины мицелия грибов по прямому методу это может свидетельствовать о начале процесса массового спорообразования, приуроченного к более поздним стадиям микробной сукцессии.
Одному и тому же числу колоний по методу посева могут соответствовать различные «состояния» комплекса почвенных грибов, а сам метод посева недостаточно характеризует их сукцессию, если иметь в виду определение численности.
С помощью посева с успехом изучают видовой состав почвенных грибов. По мере прохождения сукцессии в почвах на растительных остатках и корнях растений выделяются различные группы грибов. Микологи сделали много подобных описаний. Кроме простой констатации факта наличия тех или иных видов на различных стадиях сукцессии в почве проводится оценка структуры комплекса почвенных грибов по ряду параметров: частоте встречаемости, обилию видов, наличию доминантных и случайных форм для каждой стадии сукцессии, индексу видового разнообразия, сходству идр. Все эти подходы трудоемки и требуют наличия специалиста по систематике грибов, к тому же видовая структура не вскрывает закономерностей функционирования почвенных грибов. Анализ специфики видового состава — это лишь один из возможных подходов в исследовании сукцессий. Смена видов — следствие изменения природы процессов, происходящих в почве.
Для понимания стратегии грибов в почве большую ценность имеет знание параметров кинетики их роста.
Существует мнение, что грибы с высокой скоростью роста являются типичными первичными колонизаторами новых субстратов. Однако детально, с привлечением конкретных показателей роста этот вопрос почти не обсуждался. Методика определения обычных параметров кинетики роста бактерий разработана.
Гораздо сложнее обстоит дело с мицелиальными микроорганизмами, рост которых происходит в жидкой среде в виде комочков мицелия, что не позволяет определять удельную скорость роста д и концентрацию субстрата, обеспечивающую половину максимальной удельной скорости роста К%. Было предложено определять параметры кинетики роста грибов и актиномицетов на твердой среде. Этот способ привлекает исследователей еще и тем, что рост на твердых средах (формирование колоний) в адгезирован- ном состоянии типичен для микроорганизмов, развивающихся в почве, а в настоящее время установлено изменение параметров роста микроорганизмов при переходе из свободного в адгезиро- ванное состояние.
Грибная колония после непродолжительного промежутка экспоненциального роста переходит к линейному росту, который осуществляется за счет активной зоны, расположенной аналогично индивидуальной гифе на периферии колонии. Перт предложил модель для количественной характеристики роста колоний мицелиальных микроорганизмов, выделив в их строении две зоны: центральную и периферическую (со). Рост колонии идет за счет периферической зоны (со) так, что колония увеличивается в длину с постоянной скоростью (Кт)\
Кг=/и со,
где д — удельная скорость роста, со — ширина зоны активного роста колонии, Кх — радиальная скорость роста колонии, которая определяется изменением радиуса колонии за единицу времени.
Для установления ценности экологических исследований показателя Кт изучали рост грибов с различными экологическими свойствами: Mortierella ramanniana и Mucor circinelloides. М. circinelloides встречается на первых стадиях разложения подстилки и преобладает в почвах с высоким содержанием органического вещества. Mort. ramanniana выделяется в конце разложения подстилки и из верхних почвенных горизонтов. Максимальная радиальная скорость роста у М. circinelloides была на порядок выше (0,530 мм/ч), чем у Mort. ramanniana (0,054 мм/ч). Наблюдается зависимость скорости роста грибов от концентрации субстрата. Так, максимальная радиальная скорость роста у М. circinelloides наблюдалась при 10%, а для Mort. ramanniana — при 0,005% глюкозы в среде, т.е. при резко различных концентрациях субстрата.
Таким образом, показатели скорости роста, определенные для М. circinelloides и Mort. ramanniana, соответствуют свойствам, проявляемым этими грибами в природе.
Интегральный показатель радиальной скорости роста комплекса почвенных грибов, выделяющихся на разных этапах сукцессии, также может служить индикатором стадии сукцессии. Результаты изучения динамики показателя Кт для сахаролитических и целлюлозолитических грибов различны (рис. 136). Внесение в почву глюкозы вызывает 4-5-кратное увеличение Кт сахаролитических грибов, а внесение целлюлозы несколько сокращает скорость роста данной группы, но в 2-3 раза увеличивает

Рис. 136. Распределение колоний микромицетов в черноземе (а) и в дерново-подзолистой почве (б) по классам значений радиальной скорости роста и общее число колоний грибов в 1 г почвы (в). Варианты:
/, 4— начальный момент сукцессии; 2— 7-е сутки после увлажнения; 5— 2-е сутки после внесения глюкозы; 6 — 7-е сутки после внесения глюкозы


скорость роста целлюлозолитических грибов. Однако Кх целлю- лозолитиков значительно ниже, чем у группы сахаролитических грибов. В ходе сукцессии происходят истощение питательных субстратов и активизация развития иных группировок, что ведет к относительному снижению роли двух упомянутых групп грибов и понижает среднюю радиальную скорость роста. Следовательно, Кх является параметром весьма чувствительным к варьированию условий среды и характеризует изменение комплекса почвенных грибов во времени, являясь еще одним важным показателем стадий микробной сукцессии в почве. Оказалось, что влияние внесения глюкозы в разных типах почв проявляется по- разному. Так, при внесении глюкозы в чернозем Кх увеличивается в 4-5 раз, а при внесении в дерново-подзолистую почву — только в 1,5 раза. Скорее всего это объясняется тем, что эквивалентное по весу внесение легкодоступного субстрата в различные почвы приводит к мобилизации имеющихся в них неэквивалентных резервов питания. Известно, что запас органического вещества в черноземе значительно больше, чем в дерново-подзолистой почве. Кроме того, глюкоза при внесении в почву в рассматриваемой концентрации (0,1%) расходуется очень быстро — за 1 сутки. Максимальный рост мицелия грибов наблюдается значительно позднее — на 3-7-е сутки. Глюкоза является более эффективной «затравкой», чем простое увлажнение или внесение целлюлозы. В процесс также включается использование собственных почвенных органических веществ. Большая эффективность глюкозы означает, что в ее присутствии в почве создаются более высокие концентрации простых органических соединений, которые и благоприятствуют интенсивному развитию грибов с высокими значениями радиальной скорости роста. Поэтому внесение 1%-го раствора глюкозы в чернозем и дерново-подзолистую почву вызывает одинаковый по направлению, но разный по абсолютной величине сдвиг средней радиальной скорости роста комплекса почвенных микромицетов.
При этом происходит перестройка структуры комплекса, причем одному и тому же значению Кх в двух почвах может соответствовать разное распределение микромицетов по скоростям роста. Для того чтобы изучить это распределение, было выбрано 15 классов значений радиальной скорости роста колоний грибов, которые захватывали весь диапазон встретившихся в опыте Кх отдельных колоний
Сопоставление Кх с распределением микромицетов по скоростям роста показывает, что одному и тому же Кх = 0,25 мм/ч, ко
торое наблюдается в черноземе на 7-е сутки после увлажнения, а в дерново-подзолистой почве — на 7-е сутки после увлажнения и внесения глюкозы, соответствует разное распределение грибов по классам (см. рис. 136). В дерново-подзолистой-почве доминирует класс с низкими значениями АГг = 0,10 мм/ч, а в черноземе — класс с более высокими Кт = 0,22 мм/ч, что совпадает со средним Кт Следовательно, в двух различных типах почв отмечается неодинаковая структура комплексов микромицетов по показателям скорости роста. Кроме того, было выяснено, что низкие значения Кт связаны с преобладанием одного или нескольких классов медленнорастущих грибов (рис. 136, б, в). Эта общая для обеих почв закономерность изменяется при переходе Кх в область высоких значений. В этом случае распределение колоний по классам в черноземе становится более равномерным. Среднее значение Кт совпадает или близко к значению Кг класса, имеющего максимум колоний (рис. 136, б).
В обеих почвах была выявлена тенденция к усложнению структуры, увеличению разнообразия при повышении среднего Кт. Оценку разнообразия сообщества проводили с помощью коэффициента Шеннона по формуле:



Более высокому значению Кг соответствует более высокое значение коэффициента Шеннона (рис. 137).
При посеве на питательную среду учитывается суммарное количество грибных зачатков (споры, мицелий). Для того чтобы определить, происходит ли при повышении разнообразия сообщества развитие всех грибов или только тех, у которых высокие значения Кт, необходимо знать общую численность грибов, определяемую по методу посева, и распределение колоний по скорости роста в последовательные промежутки времени. Часто даже может и не происходить изменений в общем количестве грибов, но перестройка в комплексе микромицетов тем не менее наблюдается: снижается численность микромицетов с низкими значениями Кт, а с высокими — увеличивается (см. рис. 136). При инициации сукцессии происходит прорастание грибных зачатков всех микромицетов, затем грибы с низкими значениями Кт подавляются тем сильнее, чем выше нарастает численность грибов с высокими значениями Кх.


д — распределение микромицетов по значениям радиальных скоростей роста r дерново- подзолистой почве на 7-е сутки после внесения глюкозы (/) и в черноземе после увлажнения (2). Структура комплекса почвенных грибов при внесении глюкозы в черноземе (6) и в дерново-подзолистой почве (в) по показателям радиальной скорости роста в начальный момент времени (/) и при максимальном значении Кгхр (2); для б: I — Л’ГЛР = 0,13 мм/ч, Н=1,3; 2— К,х р —0,54мм/ч, Н = 3,3; для в: / — Ктхр — 0,16 мм/ч, Н — 1,5; 2 —
*ГЛР=0,26 мм/ч, Н = 2,3

В ходе общей сукцессии микроорганизмов в почве после обильного развития грибов происходит развитие комплекса почвенных бактерий и актиномицетов (рис. 138). Почвенные грибы развиваются на первых этапах микробной сукцессии, и их максимальная биомасса на два порядка превышает биомассу почвенных бактерий и
Рис. 138. Сукцессия бактерий (/), ак-
тиномицетов (2) и грибов (J) в двух
разновидностях дерново-подзолистой
почвы:
а — число клеток бактерий на I г почвы, б— длина
мицелия фибов (м/г), с~ длина мицелия акти-
иомицетов (м/г)
актиномицетов, что позволяет считать грибы абсолютными доминантами. Грибной мицелий обладает на 1-2 порядка большей линейной скоростью роста (50-1000 мкм/ч) по сравнению с акти- номицетами (1-10 мкм/ч), грибы более эффективно колонизуют субстрат. Развитие бактерий и актиномицетов на поздних этапах сукцессии обеспечивается за счет использования отмирающего грибного мицелия. Широко распространенную у актиномицетов хитиназную активность логично связывать с высоким содержанием хитина в клеточной стенке грибного мицелия.
Все подходы, использованные для грибов, в настоящее время применяются для актиномицетов. Отметим, что актиномицеты — очень своеобразная и особая в экологическом отношении группа почвенных микроорганизмов, хотя в систематическом отношении они в настоящее время занимают довольно скромное положение как ветвь грамположительных бактерий. Мицелиальное строение придает им особые экологические особенности и делает их отличными от прочих прокариот. От грибов их отличает то, что они являются прокариотами с более тонким мицелием (тоньше в 5-10 раз) и относительно низкой скоростью роста.
Таким образом, К и Кг являются важными количественными критериями, которые позволяют регистрировать сукцессионные изменения в комплексе почвенных микроорганизмов. С помощью этих показателей и анализа динамики микробных группировок оказалось возможным показать, что после внесения различных органических веществ в одной и той же почве могут складываться сообщества разной степени зрелости. Внесение глюкозы создает наиболее незрелую стадию микробной сукцессии,
внесение целлюлозы — более зрелую. По мере удаления от момента внесения органического вещества в почву возникает все более зрелая система.
Рассмотрим группировки микроорганизмов и характерные показатели для почвы, в которую внесены глюкоза или целлюлоза. Показаны границы варьирования численности микроорганизмов различных групп, минимумы и максимумы численности разных групп микроорганизмов (табл. 18). Видно, что I и II группы резко различны по всем показателям. В этих группах скорость роста также различна (табл. 19). Результаты определений показали, что 1 группа обладает признаками г-стратегии: высокими показателями удельной скорости роста, приуроченностью максимума развития к начальным этапам (отсутствие фазы задержки роста), широкой амплитудой колебаний численности, приуроченностью максимума численности к одному промежутку времени, которая может рассматриваться как отсутствие жесткой конкуренции между ними, активным освоением легкодоступного субстрата, быстротой роста на обычных питательных средах.
Таблица 18
Особенности развития двух групп микроорганизмов, выделенных из чернозема типичного в процессе сукцессии

Признак

I группа

II группа

Размах варьирования численности

более высокий при внесении в почву глюкозы; абсолютный размах варьирования более высокий

более высокий при внесении в почву целлюлозы; абсолютный размах варьирования более низкий

Отношение размахов варьирования численности при внесении простых и сложных веществ

более высокое (2,1—7,7)

более низкое (0,4-0,54)

Субстрат, при котором достигается максимум численности группы

простое, легкодоступное вещество (глюкоза)

полимер (целлюлоза)

Соотношение максимумов численности, достигаемых при внесении простого и сложного веществ

более высокое (2,5-6,5)

более низкое (0,47-0,63)

Временная приуроченность максимума

при внесении глюкозы — начальные этапы, при внесении целлюлозы — поздние этапы

поздние этапы после внесения глюкозы и целлюлозы

Таблица 19
Удельная скорость роста бактерий р (ч~') и радиальная скорость роста грибов Кг (мм/ч) при внесении целлюлозы и глюкозы

Группа микроорганизмов

Целлюлоза

Глюкоза

Бактерии (среда МПА) Целлюлозоразлагающие бактерии
Сахаролитические грибы (среда Чапека) Целлюлозоразлагающие грибы

0,021
0,041
i
0,230
0,320

г
0,057
0,021
'
0,540
0,200

Микроорганизмы II группы проявляют свойства, присущие организмам с К-стратегией.
Показатели К и К„ преимущественное развитие г-стратегов указывают на то, что внесение глюкозы сразу же создает более «молодую» стадию сукцессии в почве по сравнению с целлюлозой, если проводить сравнение комплексов почвенных микроорганизмов в начальные моменты времени после внесения органических веществ. Глюкоза способствует развитию ограниченного числа преобладающих групп, которые создают наибольшую биомассу. Внесение целлюлозы вызывает развитие более разнообразного сообщества, о чем можно судить по всем приведенным показателям.
Указанные количественные критерии могут использоваться в качестве индикаторов состояния микробного комплекса и этапов сукцессии. Например, изменения показателя К во времени не совпадают для сукцессии в почве с внесением глюкозы и целлюлозы. Вместе с тем наблюдаемая общая картина в обоих вариантах в полной мере согласуется с представлениями о зависимости К от времени. Более низкие значения К регистрируются на первых этапах сукцессии, когда система относительно проста и идет r-отбор микроорганизмов с высокими скоростями размножения, о чем, в частности, свидетельствует высокое значение К, Затем наблюдается увеличение К в результате усложнения системы с проявлением активности другими популяциями. При этом снижается скорость размножения и соответственно Кг убывает. Тот факт, что используемые показатели в вариантах с мономером и полимером численно резко различаются, указывает на их высокую вариабельность. Таким образом, появляется реальная возможность целенаправленного создания в почве определенного этапа микробной сукцессии.
<< | >>
Источник: А.Г. Звягинцев, И.П. Бабьева, Г.М. Зенова. БИОЛОГИЯ ПОЧВ. 2005
Помощь с написанием учебных работ

Еще по теме МИКРОБНАЯ СУКЦЕССИЯ В ПОЧВЕ:

  1. Концепция микробного пула
  2. Динамика микробных комплексов
  3. Общие закономерности вертикальной стратификации микробных сообществ
  4. Сукцессии в бентосе
  5. 5.1.3. Кормовые добавки микробного синтеза
  6. Деструктивные сукцессии
  7. Конструктивные сукцессии
  8. Дополнительные замечания О сукцессиях
  9. Общие закономерности сукцессий. 
  10. ВЛИЯНИЕ ЖИВОТНЫХ НА МИКРОБНЫЕ ПОПУЛЯЦИИ И ВЫВЕДЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В СРЕДУ
  11. Сукцессии и взаимоотношения макрофитов
  12. Васенев И.И., Таргульян В.О.. Ветровал и таёжное почвообразование. Режимы, процессы, морфогенез почвенных сукцессий, 1995
  13. СУКЦЕССИИ
  14. Глава IV СУКЦЕССИЯ ВИДОВ МИКРООРГАНИЗМОВ ПРИ РАСПАДЕ ЕЛОВОГТ ДРЕВЕСИНЫ
  15. МИКРОБНАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ МЕТАНА, ДИОКСИДА УГЛЕРОДАИ ЗАКИСИ АЗОТА В ОКУЛЬТУРЕННЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВАХ В. В. Новиков, А. Л. Степанов, А. И. Поздняков
  16. 5. Динамика биогеоценозов. Сукцессии
  17. АНАЛИЗ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ ОСУШЕННЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВ МЕТОДОМ FISH Е. В. Менько, И. К. Кравченко
  18. Определение обменного калия в почве.