Микробиология растений

Огромное значение в повышении плодородия почв имеют мелиоративные мероприятия.

В зонах недостаточного увлажнения при дефиците влаги микробиологические процессы почв приостанавливаются, и большая часть микроорганизмов переносит засуху в анабиотическом состоянии. Осушение переувлажненных почв благоприятно сказывается на составе микрофлоры, в частности это относится к вводимым в культуру торфяникам.

Для химической мелиорации кислых подзолистых и дерново-подзолистых почв широко применяют известкование. Применение извести устраняет кислотность и уменьшает содержание в почве подвижного алюминия, токсичного для многих микроорганизмов и растений. Внесение извести резко меняет соотношение отдельных групп микроорганизмов почвы и активизирует деятельность тех из них, которые важны для плодородия почвы.

Действие пестицидов на почвенную микрофлору

Почва является естественным резервуаром для синтезированных человеком химикатов, имеющих широкое применение в сельском хозяйстве и промышленности. Только 1% вносимых пестицидов достигает своей «цели». Проблема влияния пестицидов на почвенные микроорганизмы как нецелевые объекты их применения давно привлекла внимание исследователей.

Существует мнение, что наибольшее воздействие на почвенные микроорганизмы оказывают фунгициды, затем инсектициды и совсем незначительное – гербициды.

Микроорганизмы в почве занимают различные трофические уровни, но основной поток энергии идет через сапрофиты, главная сторона деятельности которых состоит в минерализации поступающего в почву органического материала, в том числе пестицидов. Поэтому определение численности сапрофитных микроорганизмов в почве может дать представление об изменении этого процесса под воздействием пестицидов.

Роль почвенных микроорганизмов в рекультивации почв, загрязненных нефтепродуктами

Пропитывание нефтепродуктами почвенной массы – одного из главного объекта окружающей природной среды, приводит к активным изменениям в химическом составе, свойствах и структуре почв. Прежде всего, это сказывается на составе почвенного гумуса, что ухудшает свойство почвы как питательного субстрата для растений. Изменение окислительно-восстановительных условий в почвенном горизонте приводит к увеличению подвижности гумусовых компонентов почвы и ряда микроэлементов, что вызывает резкое нарушение в почвенном микробиоценозе. Сообщество микроорганизмов в почве принимает неустойчивый характер, подавляется фотосинтетическая активность растительных организмов. Гидрофобные составляющие нефтепродуктов затрудняют поступление влаги к корням растений, что приводит к физиологическим изменениям последних. Загрязненные нефтепродуктами почвы оказывают длительное отрицательное воздействие и на почвенных животных, вызывая их массовую элиминацию в интенсивной зоне загрязнения. 

Вопрос 38.

Растения, особенно древесные, содержат большое количество лигнина во вторичных слоях клеточной оболочки и как основной компонент  в составе межклеточного вещества и вторичных слоях клеточной стенки. В молодых растениях количество лигнина относительно невелико, но с возрастом его содержание в тканях увеличивается. Молодые  травы содержат от 3 до 6% лигнина (на сухое вещество), древесина разных деревьев – от 18 до 30 %.Вероятно, это соединение никогда не встречается в свободном виде, обычно оно связано с полисахаридами.

Лигнин, содержащийся в растениях разных видов, родов и семейств растительного царства, химически неоднороден. Даже в одном растении в зависимости от фазы развития химический состав лигнина может меняться.

Молекулярная масса лигнина 1000-10000, он нерастворим в воде и в большинстве органических растворителей. Молекула лигнина содержит только три элемента- углерод, водород и кислород, однако это весьма сложное соединение, состоящее из большого числа полимеризованных мономерных блоков, которые представляют собой производные фенилпропана . Главный мономер лигнина-конифериловый спирт, он составляет скелет лигнина хвойных пород. Лигнин лиственных пород состоит из кониферилового и синапового спиртов, лигнин злаковых растений имеет еще и кумаровый спирт.

Лигнин устойчив к воздействию микроорганизмов, разлагается значительно медленнее, чем целлюлоза и гемицеллюлоза. В аэробном разложении лигнина могут принимать участие многие представители класса Basidiomycetes.Так при  умеренной температуре лигнин усваивают многие высшие грибы родов Clavaria, Armillariella,Fomes, Polystictus,  и Ustilina. Активны по отношению к лигнину Fusarium lactis, F.nivala, Trichoderma lignorum, Alternaria tenuis, Stremphylium botryosum.

В почве есть аэробные бактерии рода Pseudomonas, участвующие в термофильном разложении лигнина. Бактерии рода Clostridium разлагают это соединение в анаэробных условиях. Считают, что лигнин может трансформироваться и актиномицетами.

Лигнин деполимеризуется до простых ароматических веществ, таких, как ванилин и другие метоксилированные ароматические структуры. Ферментная система микроорганизмов, воздействующих на лигнин, внеклетоная и представлена лигниназами- специфичными пероксидазами. В связи с тем что лигнин разрушается относительно медленно, он накапливается а почве, и продукты разложения служат основой при образовании гумусовых веществ.

Вопрос 57.

Мир почвенных микроорганизмов весьма разнообразен, однако здесь в основном будут рассмотрены бактерии, микроскопические грибы, актиномицеты и близкие к ним существа. Эти организмы обычно изучаются в курсах микробиологии.

Прежде всего, встает вопрос об общем количественном анализе микроорганизмов почвы. Наиболее объективный метод такого анализа — прямое микроскопирование почвы, принцип которого был предложен С. Н. Виноградским. При этом методе готовят почвенную суспензию и под микроскопом в определенном ее объеме подсчитывают общее число микроорганизмов. Пересчетом можно установить, сколько микроорганизмов приходится на 1г исследуемой почвы. С. Н. Виноградский готовил препараты на предметном стекле и просматривал их под оптическим микроскопом. В поле зрения можно было видеть палочковидные бактерии, мелкие и крупные кокки, обрывки мицелия грибов и актиномицетов и другие микроорганизмы.

Определение числа бактериальных клеток прямым микроскопированием облегчается при использовании люминесцентного микроскопа, красителей микробных клеток. При этом микроорганизмы лучше видны среди мелких частиц почвы. В качестве красителей применяют акридиновый оранжевый, изотиоционат и другие вещества.

При окрашивании акридиновым оранжевым красный тон приобретают мертвые клетки, зеленый — живые. Для окраски грибного мицелия и установления его длины при прямом микроскопировании пользуются диацетатом флуоресцеина.

Иногда прямую микроскопию применяют для микробиологического анализа срезов почвы, помещенных в метилметакрилат, фильтратов почвенных суспензий на фильтрах Зейца, окрашенных дианиловым голубым или метиленовым синим и т. д.

Б. В. Перфильев и Д. Р. Габе для подсчета микроорганизмов в почве рекомендовали пользоваться сконструированной ими капиллярной камерой, глубина которой не превышает 30—40 мкм, а ширина не более поля зрения микроскопа. Подсчитав число микроорганизмов в капилляре, можно затем сделать пересчет на 1 г почвы.

Д. И. Никитин использовал для прямого подсчета микроорганизмов почвы, электронный микроскоп. С его помощью наряду с обычными микроорганизмами можно обнаружить множество мельчайших форм микроскопических существ. Сейчас для прямого анализа микрофлоры почвы начинают применять сканирующий электронный микроскоп, дающий объемное изображение анализируемых объектов .

Прямые методы дают представление об общем количестве микроорганизмов в почве. Однако внешний облик микроорганизмов не позволяет судить об их функциях, поэтому необходимо дополнительно определить принадлежность микроскопических существ, обнаруженных в почве, к разным систематическим и физиологическим группам.

Состав отдельных групп микроорганизмов (бактерии, актиномицеты, грибы и т. д.) может быть уточнен посевом почвенной суспензии на разные по составу твердые питательные среды, на которых затем развиваются зародыши тех или иных групп микроорганизмов. В практике обычно используют агаризованные или желатинизированные, а иногда силикогелевые питательные среды.

После инкубации засеянных чашек в термостате подсчитывают выросшие на твердой питательной среде колонии. Допуская, что каждая колония произошла из одного зародыша того или иного микроорганизма, устанавливают число клеток во взятом образце почвы. Подобный пересчет имеет ряд условностей. Например, бактериальные колонии могут вырасти на питательной среде не из одной клетки, а из группы их, оставшихся неразделенными в почвенной взвеси. Колонии грибов и актиномицетов вырастают из обрывков мицелия разной величины и из спор. Дифференцировать колонии, образованные из спор и из мицелия этих микроорганизмов, невозможно. Поэтому правильнее богатство почв мицелиальными микроорганизмами учитывать, измеряя длину их мицелия при прямом  микроскопироваиии.

Представляют значительный интерес примерные соотношения числа микроорганизмов, подсчитываемых в одной и той же почве различными методами.

Как видно, прямая микроскопия дает показатели, во много раз превосходящие те, которые получены методом посева. Это объясняется, прежде всего, тем, что при прямом анализе подсчитывают живые и мертвые клетки. Число последних может быть велико, так как индивидуальная жизнь микроорганизмов очень коротка. Однако численность мертвых микробов в почве обычно не превышает 25% их общего числа.

Общие показатели численности микробов, как бы условны они ни были, представляют интерес. На их основании можно примерно вычислить массу совокупности микроорганизмов в почве. Как показывают подсчеты, она составляет десятые доли процента массы почвы. По мере перехода от северных почв к южным процент микробной массы в них увеличивается.

В последнее время для установления микробной массы почвы применяют косвенный метод, рекомендованный Д. Дженкинсоном. Почву обрабатывают летучим антисептическим веществом, убивающим микробов. После дефумигации почвы определяют количество выделяемой углекислоты, которая в основном образуется из отмерших клеток. Затем расчетным путем можно примерно установить массу органического вещества микробов.

Предложены и другие косвенные методы определения в почве массы отдельных групп микроорганизмов — для бактерий по специфической для прокариот мурамовой кислоте, для грибов — по хитину, входящему в состав их клеток, для водорослей — по количеству хлорофилла и т. д. Почвенную биомассу можно примерно измерять по компонентам микробной клетки — АТФ и ДНК, но более точным биохимическим методом считают ее установление по содержанию аденозина и аденина при помощи флуорометрии.

В последнее время сотрудники МГУ предложили оригинальный «репарационный метод». Почву подсушивают при температуре не выше 70°С, что нарушает барьер проницаемости микробных клеток, и в водную или солевую вытяжку, переходит часть внутренних компонентов клетки. Их концентрация может быть измерена с использованием определенного коэффициента и установлена биомасса микроорганизмов в почве.

По обобщенным данным Д. Г. Звягинцева, сырая масса бактерий в пахотном слое различных почв колеблется от 0,5 до 15,т/га, микроскопических грибов — от 5 до 20 т/га.

В связи с тем, что при микроскопическом исследовании почв отдельные показатели являются условными, надежнее использовать одновременно несколько методов.

При анализе почв нередко учитывают число отдельных физиологических групп микроорганизмов. Это делают так называемым методом титра, при котором твердые или жидкие избирательные (элективные) питательные среды для определенных групп микроорганизмов заражают разными разведениями почвенной суспензии. Устанавливая после выдерживания в термостате степень разведения, показавшего наличие искомой группы микроорганизмов, можно простым пересчетом определить численность ее представителей в почве. Таким путем узнают, насколько богата почва нитрификаторами, денитрификаторами, целлюлозоразлагающими и другими микроорганизмами.

Метод титра используют при учете почвенных водорослей и простейших. Для водорослей берут минеральные среды, которые после заражения рядом разведений почвенной суспензии выдерживают при искусственном освещении. При учете простейших, используя также разведения почвенной суспензии, инфицируют среды, содержащие микроорганизмы, которыми простейшие могут питаться.

Для характеристики типа почвы и ее состояния важны не только показатели численности разных групп микроорганизмов, но и анализ состояния в почве отдельных их родов и видов. За редким исключением, физиологические группы микроорганизмов очень разнообразны. Внешняя обстановка может резко менять видовой состав почвенных микроорганизмов, но почти не отражается на числе их физиологических групп. Поэтому при анализе почвы важно стремиться установить состояние отдельных видов микроорганизмов.

Совершенно очевидно, что диагностика до вида, даже всех обычных сапрофитов почвы, невозможна. Поэтому сейчас стремятся выявить микроорганизмы, характерные для определенных почв. Список подобных индикаторных микроорганизмов пока не столь велик, но он будет возрастать по мере развития почвенной микробиологии. Однако уже в настоящее время определение индикаторных микроорганизмов помогает установить тип почвы, ее окультуренность и характер воздействия на почву агротехнических и агрохимических приемов.

Важно установить не только состав микронаселения почвы, но и ее суммарную биохимическую активность. Одним из показателей такой активности служит нитрификационная способность почвы, характеризующая мобилизуемость азотного запаса почвы в результате деятельности микроорганизмов. Нитрификационную способность устанавливают по нарастанию в почве количества нитратов после выдерживания ее при определенных условиях в термостате. Описанная проба свидетельствует о потенциальной способности почвы накапливать то или иное количество минерального азота. В ряде случаев этот показатель важен для практики.

Если в начале опыта в почву внести соль аммония, то по накоплению нитратов можно получить дополнительное представление об энергии работы нитрифицирующих бактерий.

При изучении почвенной биодинамики определяют выделение почвой СО2 («дыхание» почвы). Данная проба показывает в основном энергию процесса разложения в почве органических соединений.

Для оценки активности почвы могут быть использованы и ферментные показатели. Ферменты, находящиеся в почве, в основном продуцируются микроорганизмами. Поэтому между ферментативными показателями почвы и определенными микробиологическими процессами намечается коррелятивная зависимость. Подобная связь устанавливается, например, между активностью инвертазы и интенсивностью дыхания почвы, активностью оксидазы и динамикой нитратов. Абсолютное значение отдельных ферментных показателей, по данным А. Ш. Галстяна, Т. А. Щербаковой, Ф. X. Хазиева и других ученых, различно у почв разных климатических зон, что может быть использовано в диагностических целях.