Почвенная микробиология / Іутинська Г.О. Ґрунтова мікробіологія

Інститут м ікробіології І вірусол огії їм. Д .К. Заболотного Національної академії наук України

Г.О. Іутинська

ҐРУНТОВА

МІКРОБІОЛОГІЯ

Навчальний посібник

Рекомендовано М іністерством освіти і науки України я к навчальний посібник для студентів біологічних спеціальностей

вищ их навчальних закладів

Київ

2006

УДК 631.461(075.8) ББК40.3я73

1-94

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів біологічних спеціальностей

вищих навчальних закладів (лист №14/18.2-1228 від 31.05.2005р.).

Рецензенти:

Харченко С.М., заслужений діяч науки і техніки, доктор біологічних наук, професор кафедри мікробіології і біотехнології Національного аграрного університету, Пазур В.К., доктор біологічних наук, професор, завідувач кафедри

загальної мікробіології та імунології Київського Національного уні­ верситету імені Тараса Шевченка; Ісаєнко В.М., доктор біологічних наук, професор, декан факультету

екологічної безпеки Національного авіаційного університету.

Іуланська Г.О.

(-94 Ґрунтова мікробіологія: Навчальний посібник. - К.: Арістей, 2006. -2 8 4 с.

1БВЫ 966-8458-95-8

Викладені основні етапи розвитку фунтової мікробіології, рогпянуго ґрунт як середовище існування мікроорганізмів, подана характеристика (різноманіття, структури і функціонування мікробнихугруповань у природних екосистемах та антропогенно змінених фунтах, розглянуті кінетика і моделювання мікробних процесів у фунті, участь мікроорганізмів у круто* обігу речовин у природі, процесах утворення фунтів і формування їх родю­ чості. Обговорюються питання біобезпеки, мікробіологічного моніторингу та охорони земель.

Для студентів вищих навчальних закладів, аспірантів та практичних працівників, що спеціалізуються у галузі біології, мікробіології, екології, ґрунтознавства, землеробства.

УДК 631.461(075.8) ББК40.3Я73

з

4

5

В С ТУП

Ґрунт є незамінним природним самовідновлювальним ресурсом, який забезпечує життя на Землі, він є середовищем існування живих організмів, і в першу чергу, мікроорганізмів. Підраховано, що в різних біогеоценозах продукція мікробної біомаси перевищує продуктивність водоростей у 5 разів, птахів і ссавців - у 1500-7000 разів. Мікробне на­ селення відіграє важливу роль в утворенні і еволюції фунтів, форму­ ванні їх родючості, а також самоочищенні від органічних і хімічних за­ бруднень.

Становлення та успіхи класичної Грунтової мікробіології пов’язані з іменами С.М. Виноградського, В.Л. Омелянського, М.Г. Холодного, Є.М. Мішустіна, Л.Й. Рубенчіка. Історично дослідження Грунтової мікробіології розвивалися від опису та інвентаризації мікроорганізмів окремих груп, вивчення їх фізіологічних властивостей. Далі з'являються роботи з ос­ нов системного підходу у дослідженні ґрунтової мікробіоти. Це надає можливості математичного моделювання окремих параметрів мікробних систем та прогнозування стану мікробних ценозів ґрунту в певних еко­ логічних умовах.

Сучасний етап розвитку цієї науки характеризується використанням нових методів біохімічних і молекулярно-генетичних досліджень, а та­ кож математичного аналізу та інформаційних технологій. Тому постає необхідність оновлення І видання сучасної навчальної літератури з ґрунтової мікробіології.

Ґрунт є складним гетерогенним середовищем, в якому існують мік­ роорганізми. Тому перш за все необхідно знати екологічні функції ґрунтів, їх морфологію І генезис, а також вплив екологічних факторів на життєді­ яльність мікробного населення. У навчальному посібнику відображений сучасний системний підхід до вивчення фунтової мікробіоти як відкри­ тої, складної, самоврегульованої, ієрархічної системи, яка характеризу­ ється певною просторовою, таксономічною і функціональною структу­ рою. Подані поняття про екологічні стратегії ґрунтових мікроорганізмів, типи взаємовідносин між ними. З екологічних позицій розглянуті мікробні сукцесії та кінетика мікробіологічних процесів у ґрунті. Висвітлені актуа­ льні питання збереження мікробного різноманіття та методи його ви­ вчення. Вони об’єднують класичні фізіолого-біохімічкі характеристики ви­ ділених чистих культур, а також методи молекулярної екології, що не потребують виділення мікроорганізмів у чисті культури (рибосомна філогенетика, застосування функціональних генних зондів, РІвН-акаліз).

6

Важлива екологічна функція ґрунтових мікроорганізмів полягає у забезпеченні і підтримці кругообігу речовин у природі. У посібнику ви­ світлена участь мікроорганізмів у кругообігу вуглецю й азоту, а також у трансформації сполук фосфору, сірки, заліза.

До найбільш важливих біологічних процесів, що впливають на ро­ дючість ґрунтів, спід віднести трансформацію органічних речовин і гу­ мусу. Це зумовило необхідність подання характеристики процесів мік­ робного синтезу і деструкції гумусу, яка базується на вивченні його еле­ ментного складу, молекулярно-масових характеристик, функціональних груп.

Із позицій системного підходу розглядаються взаємовідносини мік­ роорганізмів І рослин, ризосферні й алелопатичні взаємодії, утворення мікоризи. Показана можливість керованого впливу на ці процеси шля­ хом використання екологічно безпечних бактеріальних добрив та мікроб­ них препаратів для захисту рослин від хвороб і шкідників. Розгадаються питання біобезпеки, пов’язані із застосуванням мікробних препаратів на основі генетично модифікованих мікроорганізмів.

Інтенсифікація сільськогосподарського виробництва, а також розви­ ток промислових підприємств викликали зміни природних екосистем. На часі існує проблема оптимізацГЇ функціонування мікробних угруповань в антропогенно змінених ґрунтах. У посібнику подані відомості щодо впливу на ґрунтову мікробіоту агротехнічних заходів (добрив, систем обробітку ґрунту, застосування регуляторів росту рослин і пестицидів), а також обґрунтована необхідність переходу до екологічно безпечних агротехнологій вирощування сільськогосподарських культур.

За умов техногенного забруднення постає необхідність вивчення впливу попютантів на ґрунтову мікробіоту, врахування можливого мута­ генного впливу забруднень, а також прогнозування розвитку мікробіоло­ гічних процесів за допомогою методів математичного моделювання. Зважаючи на негативні наслідки антропогенного впливу, заключний розділ посібника присвячений мікробному моніторингу й охороні земель.

7

1.П Р Е Д М ЕТ ҐР УН ТО В О Ї М ІКРО Б ІО Л О ГІЇ,

ОСНО ВНІ ЕТАПИ її РО ЗВ И ТКУ

Ґрунтова мікробіологія - наука, що вивчає закономірності роз­ повсюдження, життєдіяльності, фізіологічні особливості мікроорганіз­ мів у ґрунті, а також Тх взаємозв'язки в угрупованнях та з ґрунтом і рос­ линами.

Мікроорганізми широко розповсюджені в різних ґрунтах: від поляр­ них широт до пісків пустель та гірських порід; вони є найважливішою складовою ґрунтової біоти.

Ґрунтова мікробіологія почала розвиватися після становлення за­ гальної мікробіології, основи якої були закладені мікроскопічними спо­ стереженнями АктонІя ван Левенгука, відкриттями анаеробіозу і бродін­ ня Луі Пастером, дослідженнями Роберта Коха щодо ролі мікроорганіз­ мів в інфекційному процесі. Етап морфологічного опіку мікроорганіз­ мів, який був характерний для загальної мікробіології, стосувався і фун­ тової мікробіології, коли вивченню підлягали нові, ще не досліджені мік­ роорганізми, виділені із ґрунтів різних типів.

Фундатором ґрунтової мікробіології як нової самостійної науки був С.М. Виноградський, у роботах якого не тільки були окреслені об'єкти досліджень (мікроорганізми фунту), але й розроблено принципи їх ви­ вчення (досліджувати мікроорганізми у самому фунті або середовищах, близьких до нього). Роботи С.М. Виноградського поклали початок роз­ виткові двох етапів ґрунтової мікробіології одночасно: морфологічного опису й екопого-фізіологічних досліджень.

Сергій Миколайович ВИНОГРАДСЬКИЙ (1856-1953 рр.)

С.М. Виноградський народився у м. Ки­ єві 1 вересня 1856 роїу в родині юриста. У 1873 році закінчив 2-у Київську гімназію І вступив на юридичний факультет Київського університету, проте невдовзі перевівся на природниче відділення фізико-математично- го факультету. На третьому курсі залишив університет для занять музикою, вступивши до Петербурзької консерваторії. Але у 1877 році знову повернувся до навчання на дру-

8

гаму курсі природничого відділення Петербурзького університету. Після його закінчення залишився працювати в університетській лабораторії фізіології рос­ лин, У 1665-1888 рр. працював у ботанічній лабораторії Страсбурзького універ­ ситету, вивчав морфологію і фізіологію залізо- і сіркобактерій. Наступні три роки стажувався у Цюриху, виконав цикл робіт із дослідження нітрифікації. Повернув­ ся у Росію і працював завідувачем відділом загальної мікробіології Інституту експериментальної медицини (С. Петербург).

У 1892 р. йому було присуджено ступінь доктора ботаніки без захисту ди­ сертації; у 1894 р. був обраний членом-кореспондентом Російської академії на­ ук, у 1902 р. - почесним членом Французської академії наук. С.М. Виноградський був засновником Мікробіологічного товариства у Росії (1903 р.).

У 1901 р. С.М. Виноградський фактично припинив працювати в інституті, відмовився від окладу завідувача відділом із тією умовою, що ці фінанси підуть на будівництво нового будинку для відділу загальної мікробіології. Офіційно у 1912 р. він пішов у відставку. Л. Пастер запросив С.М. Виноградського на роботу у свій інститут І запропонував очолити відділ (фунтової мікробіології, який було відкрито на кошти, зібрані за міжнародною підписною. Так С.М. Виноградський через 10 років перерви повернувся до експериментальної роботи на посаді за­ відувача Агробактеріологічним відділом Пастерівського інституту (Париж), де і працював до кінця свого життя. Помер 24 лютого 1953 року у Парижі.

Наукову спадщину С.М. Виноградського важко переоцінити. Йому належать відкриття хемосинтезу, азотфіксації, принципово нових підхо­ дів до вивчення фунтової мікробіоти. Він першим сформулював систем­ ний підхід До вивчення участі мікроорганізмів у кругообігу речовин у природі, що стало основою нової науки - біогеохімії.

Відкрите С.М. Виноградським явище хемосинтезу полягає у тому, що мікроорганізми шляхом окиснення неорганічних сполук сірки, заліза, а та кож аміаку отримують енергію, необхідну для відновлення і за­ своєння диоксиду вуглецю. На чистих культурах сіркобактерій родів Веддіаіоа, ТНіоіЬпх, СЛготаЬ'ит С.М. Виноградський довів, що мікроор­ ганізми можуть окиснювати арку з отриманням енергії для засвоєння диоксиду вуглецю. Для культивування цих мікроорганізмів звичайні ор­ ганічні середовища були непридатними, тому у дослідах імітувалися умови, в яких сіркобактерії зустрічаються у природі - їх вирощували у краплі веди, насиченої сірководнем, причому вода періодично заміню­ валась на свіжу порцію, також насичену сірководнем.

В дослідах із залізобактеріями ІерїоУ тх осЬгасеа С.М. Виноградсь­ кий, перш за все, вивчав їхні природні місця існування - болота, луки, охристі джерела. Для культивування цих бактерій у лабораторних умо­ вах необхідний був закис заліза, який клітини окиснювали до окису й

9

екскретували назовні, при цьому енергію цієї окисної реакції використо­ вували для утилізації вуглекислого газу.

Дослідження окиснення аміку до нітратів виявили біологічну приро­ ду цього процесу. Були виділені чисті культури нітрифікуючих бактерій, здатні використовувати для життєдіяльності енергію окиснення аміаку, виявлена двостадійність цього процесу, при якому на першому етапі відбувається окиснення ІЧН4 до N02, а на другому етапі - И 02 до N03. Для нітрифікуючих бактерій був розрахований коефіцієнт залежності між окисленим аміаком і відновленим вуглекислим газом.

Усі зазначені вище мікроорганізми С.М. Виноградський об'єднав у групу акогроксидантгв - мікроорганізмів, які володіють специфічною функ­ цією: здатністю окиснювати неорганічні речовини. Це явище аналогічне до дихання і є для них єдиним джерелом енергії, а єдиним джерелом вуглецю - вуглекислота, яка асимілюється в процесі хемосинтезу.

Сутність явищ біологічної азотфіксації полягає у том у, що мік­ роорганізми здатні зв’язувати азот атмосферного повітря в органіч­ ні сполуки. С.М. Виноградським була виділена чиста культура анаероб­ ної слороутворюючої бактерії Сіовігісііит равіеигіапит, яка росла на се­ редовищах без зв’язаного азоту і фіксувала його з повітря, використо­ вуючи для цього як джерело енергії вуглеводи.

С.М. Виноградський першим сформував екологічний підхід до ви­ вчення фунтової мікробіоти, суть якого полягає у тому, що необхідно вивчати мікроорганізми у самому ф унті або середовищах, близьких до нього, які відповідають фізіологічним потребам мікроорганізмів. Виходя­ чи з цього, були розроблені елективні середовища, які є оптимальними для окремих груп мікроорганізмів. Наприклад, середовища з НгЗ - для сіркобактерій, з амонійними солями - для нітрифікуючих бактерій, безазотоеі середовища - для азотфіксаторів. Використання елективних середовищ дозволило виявити наявність у ґрунті двох груп мікрооргані­ змів. До першої були віднесені мікроорганізми, які швидко розмножу­ ються в умовах забезпечення легкозасвоюваними органічними субстра­ тами - це “зимогенні мікроорганізми". До другої групи віднесені мікроор­ ганізми, які росли повільно І здатні були засвоювати гумусові речовини ґрунту - це “автохтонна мікрофлора”, яка переважає у ґрунті під паром, тобто в умовах збіднення його доступними поживними сполуками.

Одним з основних принципів екологічного підходу в мікробіології С.М. Виноградський вважав вивчення функцій мікроорганізмів у природ­ ному стані, не зміненому тими умовами, які створюються в лабораторії. Він перший звернув увагу на невідповідність між мікроорганізмами, що культивуються в лабораторії, та їхніми дикими видами у природі. Відсут­

10