Почвенные микроорганизмы

Почвенные микроорганизмы - совокупность разных групп микроорганизмов, для которых естественной средой обитания служит почва. Образование почвы и ее плодородие в основном зависят от растительности, микроорганизмов и почвенной фауны.

Отмирающие корни – основной источник поступления в почву органического вещества, из которого образуется перегной, окрашивающий почву в темный цвет до глубины массового распространения в ней корневых систем. Извлекая элементы питания с глубины несколько метров и отмирая, растения вместе с органическим веществом накапливают элементы азотного и минерального питания в верхних горизонтах почвы.

Каждому растительному сообществу соответствует комплекс микроорганизмов разного видового состава, меняющегося с изменением почвообразования. Между почвообразовательным процессом и организмами почвы существует теснейшая связь.

Отмирающая зеленая растительность разлагается бактериями и грибами. Микроорганизмы изменяют не только органическую, но и минеральную часть почвы. Жизнедеятельность их зависит от комплекса почвенных условий, которые могут или способствовать, или задерживать развитие микробов.

По общей массе почвенные микроорганизмы составляют большую часть микроорганизмов нашей планеты: в 1 г чернозёма содержится до 10 млрд. (иногда и более) или до 10 т/га живых микроорганизмов. Почвенные микроорганизмы представлены как прокариотами (бактерии, актиномицеты, сине-зелёные водоросли), так и эукариотами (грибы, микроскопические водоросли, простейшие). Благодаря использованию современных методов ежегодно открываются всё новые и новые микроорганизмы. Очень разнообразны они по свойствам и функциям. Среди них есть гетеротрофы и автотрофы, аэробы и анаэробы; резко различаются по оптимуму рН, отношению к температуре, используемым источникам органических и неорганических веществ. Многие из них, несмотря на различные потребности, развиваются в одной и той же почве, состоящей из множества резко различающихся микросред. Изменение числа почвенных микроорганизмов зависит и от времени года: весной и осенью их больше, зимой и летом меньше. Больше всего микроорганизмов в поверхностных горизонтах почвы (10 см). Вглубь количество их убывает; на глубине нескольких метров почва относительно стерильна. Особое обилие почвенных микроорганизмов характерно для ризосферы - прикорневой зоны растений. Обработка почвы, внесение удобрений, создание благоприятного водного режима почвы и т. п. способствуют увеличению биомассы микроорганизмов и повышению их активности. Наиболее благоприятна для микробиологических процессов температура от 20 до 40^о. В хорошо обработанной окультуренной почве микроорганизмов больше, чем в необработанной; их больше в пресных нейтральных и известковых почвах и меньше в засоленных.

Почвенная микробиологическая деградация

Разнообразные антропогенные воздействия на почву, такие как интенсивное сельскохозяйственное использование, применение удобрений, рекреация могут приводить к принципиальному изменению всей почвенной экосистемы. При этом происходят перестройки в структуре микробных сообществ, изменяется состав и относительное обилие различных групп микроорганизмов, меняется характер вызываемых ими процессов. Но даже сильно преобразованные почвы населены различными микроорганизмами. Отсюда возникает вопрос: является ли эти изменение в микробиологическом сообществе деградацией почвы, или можно считать как адаптивную перестройку.

Под деградацией любой системы понимается её упрощение, которое выражается прежде всего в уменьшении разнообразия. В случае биологического сообщества о деградации можно говорить в случае сокращения его таксономического разнообразия, при сохранении ряда общих видов.

Поэтому при оценке характера антропогенного воздействия на почвенные микроорганизмы особое внимание уделяют генеральным показателям, отражающим степень дифференциации сообщества, его таксономической сложности и разнообразию. Эти показатели, позволяющие измерять различия разнообразия и внутренней дифференциации систем, получили широкое распространение в современной синэкологии (например, Андреев, Песенко, Мэггаран).

В почвенной микробиологии наблюдается значительное отставание в этой области. Это связано со сложностями таксономической дифференциации микроорганизмов и интерпретацией микробиологического разнообразия в описательном смысле (в отличие от синэкологического количественного аспекта разнообразия сообщества). Но в последнее десятилетие активно развиваются методы изучения структуры микробных сообществ, например, прямой анализ разнообразия ДНК, оценка функциональных возможностей микробного сообщества путём мультсубстратного тестирования (Горленко, 2001г.).

Почвенно-биологичекие исследования последний десятилетий ХХ века ясно продемонстрировали, что деградация почвенного покрова всегда сопровождается серьёзными нарушениями природной структуры и функционирования почвенных микробиоценозов (Звягинцев, 1989г.) Кроме того, почвенные микроорганизмы всегда находятся в постоянной взаимосвязи и взаимодействии с другими организмами наземных экосистем, а антропогенные изменения микробных комплексов в почвах могут приводить к изменению этих взаимоотношений и оказывать негативное воздействие на растения (увеличение присутствия фитотоксичных видов микроорганизмов), животных (у беспозвоночных – нарушение трофических цепей и создание неблагоприятных условий обитания) и человека (например. увеличение присутствия потенциально патогенных, микотоксичных и аллергенных видов микроорганизмов).

Нарушение функций микробных сообществ проявляется в изменении интенсивности проводимых ими процессов (трансформации органических веществ, соединений азота, ряда минеральных элементов и т.д.). На настоящий момент в большей степени определены лишь возможные негативные изменения структуры микробиоценозов при деградации почв.

Результаты исследований кафедры биологии почв МГУ показали, что антропогенные факторы влияют и на разнообразие почвенных микроорганизмов, и в условиях возросшей антропогенной нагрузки на почвенные комплексы, можно ожидать некоторого обеднения в микробном разнообразии педосферы. К последнему десятилетию наиболее полно изученной является трансформация микроскопических грибов.

На примере этих грибов было установлено, что упрощение разнообразия почвенной микробиоты при стрессовых антропогенных воздействиях может проявляться на разных экосистемных уровнях:

- локальном уровне (проявление большего сходства (т.е. меньшего разнообразия) видов в одном урочище)

- региональном уровне (в антропогенно нарушенных почвах происходит увеличение числа доминирующих видов и снижение числа редких, т.е. происходит снижение регионального разнообразия)

- зональном уровне (в почвах одного типа, но в удалённых друг от друга регионах, под воздействием одинаковых антропогенных воздействий формируются более сходные между собой грибныные комплексы, нежели в аналогичных ненарушенных почвах – потеря зональной специфики почвенной микробиоты).

Наряду с обеднением микробиологического разнообразия при антропогенных воздействиях могут происходить негативные (с точки зрения сохранения природных зональных комплексов) изменения состава почвенной микробиоты. Под влиянием антропогенных факторов формируются комплексы почвенных микроорганизмов с нехарактерным для данной природной зоны составом. Происходит и обратный процесс - элиминация видов, характерных для определённых зональных почв, так как их встречаемость и обилие снижается.

Таким образом, в природных зонах происходит широкое распространение эвритопных микроорганизмов, так называемых, «сорных» видов (Добровольский Г.В.). Такие негативные тенденции проявляются не только для микробных сообществ, но и для высших организмов.

В городских местообитаниях при высоком уровне промышленного загрязнения существенно возрастает относительное обилие пигментированных коринеподобных бактерий родов Rhodococcus, Micrococcus и Arthbacter в почве и опаде деревьев и кустарников. Для бактериальных комплексов всех изученных городских грунтов в зоне серых лесных почв общими доминантами были бациллы – бактерии наиболее устойчивые ко всем неблагоприятным воздействиям внешней среды (для примера – в этой почвенной зоне доминантами являются артробактерии и стрептомицеты), а в почве, загрязнённой нефтью и мазутом, в бактериальном комплексе доминировали родококки.

В антропогенно нарушенных почвах может снижаться доля активных микробов и увеличиваться доля покоящихся. Так, характерная особенность бактериального комплекса загрязнённых почв – низкая доля метаболически активных клеток. Например, в ненарушенных серых лесных почвах доля метаболически активных клеток составляля около 60%, а в загрязнённых образцах – около 20% (Лысак, 1998г.). В городских почвах зон транспортного загрязнения содержание мицелия очень мало, но увеличена доля грибных спор.

Почвенные микроорганизмы, находясь в тесном взаимодействии с другими биологическими компонентами наземных экосистем, могут оказывать на них как положительное, так и отрицательное воздействие. Отрицательное воздействие на растения, животных и человека могут оказывать обитающие в почвах патогенные организмы и микробы, продуцирующие токсичные для них вещества. К настоящему времени утсановлено, что ряд антропогенных факторов, вызывающих разные формы деградации почвенного покрова, могут способствовать и накоплению потенциально патогенных микроорганизмов. (Марфенина)

Это было показано в случае длительного применения азотных удобрений на дерново-подзолистых почвах, что приводило к накоплению фитотоксичных грибов, замедляющих процесс прорастания семян, роста и развития растений. В антропогенных комплексах может происходить увеличение содержания видов грибов, известных как зоо- и митотоксичных, т.е. продуцентов токсинов, вызывающих токсикозы у животных и человека.

Антропогенные факторы, вызывающие деградацию почв и изменяющие состав почвенной микробиоты, могут нарушать функционирование зоо-микробных комплексов и сложившихся в них связей. Как уже упоминалось выше, антропогенные факторы могут:

1)приводить к развитию токсичных для почвенных беспозвоночных животных видов микроорганизмов;

2)нарушать трофические цепи беспозвоночных

3)следовательно, неблагоприятно влиять на развитие популяций этих животных.

На примере микроскопических грибов выявлено следующее:

- репеллентный (отпугивающий) эффект при развитии определённых видов

- невозможность использования животными сохранившихся в почве видов как пищи

- токсичное воздействие этих грибов на животных, нарушение популяции при питании «некачественным грибным кормом» (Марфенина О.Е.).

Например, важнейшая группа почвенных беспозвоночных – дождевые черви - при развитии в антропогенно нарушенных почвах грибов рода аспергиллусов:

1)не используют эти грибы как пищу;

2)метаболиты этих грибов отпугивают червей

3)вызывают гибель молоди этих червей

При специальном скармливании этих грибов червям происходило нарушение развития их популяции.

Антропогенные трансформации комплексов почвенных микроорганизмов, которые приводят к изменению их состава. Могут приводить и к накоплению в почвах микробов, опасных и для здоровья человека. В последние годы внимание медиков привлекает рост количества заболеваний людей оппортунистическими инфекциями, которые вызываются потенциально патогенными грибами, большинство видов которых известно как почвообитающие. Так, многие из исследованных антропогенных факторов (загрязнение тяжёлыми металлами, рекреационное использование, урбанизация и т.д.) могли способствовать накоплению потенциально патогенных грибов. Наиболее чётко тенденция накопления потенциально патогенных грибов прослеживается в условиях урбанизации. Городская среда является местообитанием, в котором по сравнению с фоновыми территориями наблюдается наиболее высокий уровень таких грибов. Аккумуляция патогенных видов в наибольшей степени регистрируется в зонах автомагистралей, где постоянно имеется активный пылеперенос частиц, а следовательно, и выше вероятность попадания грибных спор в организм человека.

Итак, трансформация микробных сообществ при антропогенной деградации почв грозит не только потерей природного видового разнообразия, но и формирования таких биологических условий среды, при которых она приобретает неблагоприятные и даже опасные для человека свойства.