Примеры летучих органических веществ, образуемых микроорганизмами и их влияние иа другие микроорганизмы

(по Stotzky, Schenck)

Изучение газообмена в почвах затрудняется их микрозональ­ным строением. Любая почва содержит множество микрозон с различным составом газов, в которых развитие микроорганизмов

Таблица 6

Продуцент

Летучие органические вещества

Clostridium sp. Смешанные бактериальные культуры, различные чис­тые культуры бактерий Почва в анаэробных усло­виях

муравьиная, уксусная, пропионовая, капроно­вая, изокапроновая, валериановая, изовалериа- новая, акриловая, кретоновая кислоты, 2,3-бу- тандиол, метанол, этанол, изобутанол, изопен- танол, ацетоин, диметилсульфид муравьиная, уксусная, пропионовая масляная, валериановая, изовалериановая, капроновая, молочная, янтарная кислоты, уксусный альде­гид, ацетоин, этилацетат, диацетил, этанол, 2,3-бутандиол и еще ряд неидентифицирован- ных веществ метан, этан, этилен, пропилен, бутан, изобутан, пропан, бутен, ацетальдегид, ацетон, метилке- тон, метилпропилкетон, диацетил, этанол, н- и изопропанол, н- и изобутанол, уксусная кисло­та, метилмеркаптан, диметилсульфид, диме- тилдисульфид

Примеры летучих органических веществ, образуемых микроорганизмами в анаэробных условиях

Таблица 7

Примеры неорганических веществ, превращаемых микроорганизмами в летучие органические вещества

Неорганическое	Органический	Микробы, осущест­вляющие пре­вращение	Источник
вещество	продукт		микроорганизмов
Ртуть	монометилиро-	различные бак­	почвы, осадки,
	ваниая и димети-	терии и грибы	сточные воды, чис­
	лированная ртуть		тые культуры, обра­зуются в анаэроб­ных условиях
Теллур	диметилтеллурит		сточные воды, чис­тые культуры
Селен	диметилселенит		почвы, сточные воды, чистые куль­туры
Мышьяк	диметилирован- ный и тримети- лиро ванный мышьяк		чистые культуры
Хлор	метил хлорид		чистые культуры
Бром	метил бромид		чистые культуры

идет в специфических условиях. Положение о быстром газооб­мене между атмосферным и почвенным воздухом может быть принято только в общей форме и не может быть распространено на все почвенные микрозоны.

Как известно, внутри почвенных агрегатов диаметром 2000- 5000 мкм (агрономически ценная структура), содержится защем­ленный воздух, который с большим трудом подвергается обмен­ным процессам. Это и дает возможность для развития в близком соседстве аэробных и анаэробных, метанобразующих и метанис- пользующих микроорганизмов и т.д. Даже небольшое количество влаги в почве затрудняет газообмен из внутриагрегатных пор, а большое — из межагрегатных. Необходимо тщательное изучение газообмена в этих микрозонах. Почти единственным путем для этого является имитирование микрозон в макромасштабах. Обыч­но берется образец почвы, в него вносится избыточное количество субстрата, почва увлажняется и помещается в термостат при тем­пературе, оптимальной для протекания процесса. Таким спо­собом изучают действие летучих органических веществ — фунги- стазис и бактериостазис почв. Следует еще раз подчеркнуть, что в таких случаях воспроизводится не естественное состояние поч­венной массы, а только условия в определенных почвенных зо­нах в макромасштабе, т.е. зона определенного типа начинает до­минировать. Естественная почва не представляет собой единую среду обитания, а состоит из множества различных микрозон, где микробы развиваются относительно изолированно по принципу комплекса. В модельных опытах при избытке органического вещества комплекс почвенных микроорганизмов начинает действовать как единое целое. Микробная система переходит из одной категории в другую: от микрозонального типа, характерного для почвы, к мак- розональному, например, при внесении во весь объем почвы глю­козы. Часто данные, полученные в искусственных условиях, пере­носят на всю почву в целом, в то время как более обоснованно их можно было бы переносить на отдельные микрозоны.

Почва должна рассматриваться как множество микро- и ме- зосред обитания микроорганизмов с различными условиями в отдельных микрозонах, в том числе и в отношении их газового режима. Микрозональность в почве позволяет одновременно раз­виваться аэробам и анаэробам. В разных микрозонах часто идут прямо противоположные процессы газового обмена, и связь мик­розон между собой, по-видимому, в первую очередь осуществля­ется через газовую фазу, наиболее подвижную по сравнению с другими фазами почвы и самими микроорганизмами.

Почвенный воздух всегда содержит некоторое количество па­рообразной воды. Она имеет большое значение в перераспреде­лении воды по микрозонам и в выравнивании потенциала влаги во всей почвенной массе. Большую часть времени почвенный воздух в ряде зон близок к насыщению водяными парами. Снаб­жение почвенных микроорганизмов газообразной водой имеет существенное значение для их развития, особенно в засушливых районах. Нужно отметить, что большинство почвенных микро­бов способно активно расти и развиваться в почве с относитель­ной влажностью менее 100%. При этих условиях транспорт паро­образной воды может обеспечивать ее поступление в клетки.

Почвенный воздух содержит в десятки и сотни раз больше уг­лекислого газа и часто во столько же раз меньше кислорода, чем атмосферный. Однако культивирование почвенных микроорганиз­мов обычно проводится в атмосферном воздухе термостатов, и специфика этого экологического фактора не учитывается. Боль­шое внимание уделялось созданию низкого окислительно-восста­новительного потенциала, удалению кислорода при культивиро­вании анаэробов и меньшее — созданию повышенного содержания С0₂, которое оказывает существенное влияние на развитие и мор­фологию почвенных микроорганизмов.

После инкубации почвы при повышенном содержании С0₂ обнаруживаются микробы, более устойчивые к нему, причем бо­лее вероятна селекция микроорганизмов, нежели их адаптация. Если посев из почвы культивировать при повышенной концент­рации углекислоты, на чашках развивается больше микроорга­низмов. Имеются данные, что изменяется и качественный состав выделяемых микроорганизмов. Высказывается мнение, что пре­обладание в почве грибов родов Penicillium, Aspergillus, Fusarium, Trichoderma обусловлено их адаптацией к газовому режиму поч­вы и способностью давать в таких условиях обильное спорообра­зование. Штаммы грибов из нижних почвенных горизонтов бо­лее устойчивы к повышенным концентрациям С0₂ и низким концентрациям 0₂, чем аэробные бактерии и актиномицеты.

Под действием повышенной концентрации углекислого газа изменяется морфология микроорганизмов. Высокая концентра­ция углекислоты иногда приводит к дрожжеподобному росту гри­бов, что показано, например, для Mucor rouxii, Fusarium sp. При пониженном содержании 0₂ и повышенном С0₂ некоторые бак­терии начинают формировать фимбрии.

Предполагается, что различие в морфологии почвенных и лабо­раторных форм микроорганизмов до некоторой степени связано со спецификой состава почвенного воздуха. Морфологические из­менения микроорганизмов могут вызываться аммиаком и рядом летучих органических соединений.

Газы и летучие органические соединения только частично поступают в почву извне и в основном образуются в самой поч­ве, причем их источником могут быть микроорганизмы, расте­ния и животные. Наибольшее разнообразие газообразных веществ в почве образуют микроорганизмы: углекислый газ, окислы азо­та, азот, аммиак, сероводород, водород, метан, этан, бутан, про­пан, этилен, пропилен, бутен и еще ряд газообразных углеводо­родов. Они проводят превращения соединений металлов. Микробы проводят процессы как образования, так и разрушения органи­ческих соединений ртути. Почвенные микроорганизмы вызывают процесс метилирования и переводят малотоксичную металличе­скую ртуть в монометилированную и диметилированную ртуть CH₃Hg⁺, (CH₃)₂Hg, которые отличаются высокой токсичностью (см. табл. 7). Образуются также диметилсульфид (CH₃)₂S, метил- меркаптан CH₃SH, этилмеркаптан C₂H₅SH и др.

Все газы, которые микроорганизмы способны образовывать, они могут и изменять. Благодаря соседству и многократному по­вторению аэробных и анаэробных микрозон, достаточно плот­ному расположению микроорганизмов внутри и на поверхности почвенных агрегатов, а также сложности системы пор в почве, по которым движутся газы, почва представляет собой весьма со­вершенную ловушку для газов (исключение составляют макрога­зы, например С0₂, пары воды, которых очень много и которые интенсивно не используются микроорганизмами). Можно пред­положить, что только небольшой части микрогазов и летучих органических веществ удается вырваться наружу в атмосферу. Поверхность пор капилляров и агрегатов заселена микроорга­низмами, которые могут весьма совершенно перехватывать диф­фундирующие, особенно энергонесущие газы.

Потеря газов, несущих запас энергии, невыгодна для экосис­темы, и обычно такие газы должны использоваться в ней полно­стью или почти полностью. Например, метан во многих случаях выделяется в таких малых концентрациях, при которых он уже не может улавливаться микроорганизмами и обеспечивать их жизнедеятельность.

Судить о продукции микрогазов в почве (Н₂, СО, СН₄, H₂S) по их выделению из почвы нельзя. В некоторых случаях из поч­вы выходят микрогазы, причем в значительных количествах, например при переувлажнении, когда аэробная зона перестает соседствовать с анаэробной. Они могут уходить в верхние слои ат­мосферы, но могут поглощаться другими почвами (другими био­геоценозами). Предстоит выяснить масштабы этих процессов и установить, можно ли этот обмен считать правилом или исклю­чением. Вероятно, в ряде случаев изменение интенсивности вы­деления микрогазов почвой может в первую очередь сигнализиро­вать о нарушении нормальной микробиологической деятельности в биогеоценозе, например, при загрязнении почв. В условиях силь­ного антропогенного воздействия почвенные микроорганизмы не могут справиться с газовой нагрузкой на почву или справляются с ней, но в ущерб газовому равновесию в биосфере. Например, количество окиси серы промышленного происхождения в атмо­сфере достигло больших концентраций, особенно вблизи заво­дов. В глобальном масштабе половина серы атмосферы антро­погенного происхождения. Из-за ее наличия дождевая вода, выпадающая в ряде промышленных районов, имеет рН 4. Это приводит к подкислению почвенного раствора, причем почвен­ные микроорганизмы не в состоянии восстановить гомеоста- тическое состояние в почве по рН и по содержанию серы. Естественный микробный механизм, который должен восстано­вить равновесие в системе, не срабатывает, величина воздействую­щего фактора превышает запас прочности (буферности) комп­лекса почвенных микроорганизмов. Во многих случаях происходят подкисление почвы и вынос кальция. Сказанное в большей сте­пени относится к естественным экосистемам, например лесным почвам. В окультуренных почвах такие антропогенные факторы, как физиологически кислые удобрения, известь или аммиак ока­зывают гораздо большее влияние на свойства почвы, чем кислые атмосферные осадки. Окись серы — один из самых токсичных газов для почвенной биоты, хотя сульфатредуцирующие бакте­рии всегда содержатся в почве и, казалось, могли бы превращать серную кислоту в сероводород, который, как установлено, в поч­вах сразу же связывается с металлами, превращается в сульфиды и обезвреживается. Однако этого не происходит, вероятно, из-за недостаточно восстановительных условий, имеющихся в почве.

В противоположность этому закись углерода, которая в пос­леднее время стала поступать в почвы в гораздо больших мас­штабах по сравнению с естественной природой, видимо, полно­стью используется почвенными микроорганизмами (бактериями, грибами). Буферная емкость комплекса почвенных микроорга­низмов в этом отаошении оказывается очень большой.

Примером нарушения газового равновесия в биосфере мо­жет быть выделение недоокисленных соединений азота в про­цессах жизнедеятельности нитрификатеров, денитрификатеров и метанокисляющих бактерий при внесении высоких доз азот­ных удобрений. При попадании больших количеств азотных соединений почвенные микроорганизмы реагируют на наруше­ние гомеостаза и начинают выбрасывать азот из почвы в атмо­сферу и грунтовые воды (денитрификация, нитрификация). Рав­новесие в почве восстанавливается, но ценой нарушения баланса в атмосфере и грунтовых водах. Отсюда ясно виден вред боль­шого количества связанного азота в биосфере. Лимитирование развития организмов азотом менее вредно для биосферы, чем его избыток. В этой связи становится понятной экологическая целесообразность потери способности к азотфиксации при пе­реходе от прокариот к эукариотам. Если бы все эукариоты фик­сировали азот, в биосфере создался бы избыток этих токсичных в больших дозах продуктов. Человек, изготовляя большое коли­чество азотных удобрений, нарушает равновесие в экосистемах и в биосфере в целом.

Особо следует остановиться на летучих и газообразных вещест­вах, образуемых растениями и их корневой системой. Это различ­ные вещества, оказывающие большое влияние на жизнь почвы и почвенных микроорганизмов. Насколько велико их действие, трудно сказать, так как процессы выделения этих веществ изуче­ны только в искусственных условиях и очень мало известно о масштабах этих процессов в природе. Органические летучие ве­щества прорастающих семян и проростков могут служить источ­ником углерода для микроорганизмов (бактерии, актиномицеты, фибы, дрожжи). Короткоцепочечные летучие органические ве­щества относительно простой структуры, выделяемые растения­ми в изолированное пространство, используются микробами филлосферы и ризопланы как источник углерода.

Однако в большинстве работ органические летучие вещества рассматриваются не как источники углерода, а как стимуляторы или ингибиторы. Особенно много работ такого рода выполнено с фитопатогенными фибами. В качестве примера можно приве­сти некоторые из них. Многие летучие органические вещества растений влияют на прорастание спор фибов, а также участвуют в аттракции и инфекционном процессе (фитопатогенные и ми­коризные фибы). Большая роль отводится терпенам и ряду дру­гих газообразных (этилен) и летучих веществ (альдегиды). Уста­новлено, что прорастание спор Penicillium digetatum подавляется различными альдегидами (С₅-С₉), которые являются летучими органическими веществами цитрусовых.

Гексеналь из листьев гинкго играет важную роль в устойчиво­сти этого растения к грибам, этот альдегид токсичен для грибов. Ингибирующее действие могут оказывать серосодержащие лету­чие вещества из растений (метилизотиоцианат, аллилизотиоциа- нат, бутилизотиоцианат, метил меркаптан, диметилсульфид). Не­которые гликозиды могут разлагаться с образованием цианистого водорода. Можно привести множество примеров такого рода, так как выполнены сотни работ по изучению газообразных и летучих веществ растений. Однако все опыты были смоделированы, и поэтому количество и концентрация этих веществ в природных условиях остаются неизвестными. В связи с этим неясно, какую экологическую роль они играют. Между тем вопрос о роли газов и летучих органических веществ микробного и растительного происхождения в регулировании жизни в почве является одним из центральных в экологии почвенных микроорганизмов.

Газообразные вещества являются первым претендентом на роль переносчиков информации в экосистеме (средовых гормонов), так как они могут передавать информацию наиболее быстро из-за быстрой диффузии газов.

Исходя из представления о «жесткой» организованности мик- робоценоза в почве и о наличии в ней всеобщего единого регуля­тора Смит приписал общую регулирующую роль этилену. Одна­ко эта концепция основывалась на лабораторных опытах, в которых условия микрозоны воспроизводились в макромасшта­бах, и этилен вряд ли может играть существенную и универсаль­ную роль во всей массе почвы. К такому заключению приводят следующие факты.

1. Почва имеет микрозональное строение, и в каждой микро­зоне процессы идут относительно независимо и разновременно. Трудно предположить, что есть моменты, когда вся почвенная масса насыщается этиленом.

2. В естественной почве этилен почти никогда не обнаружи­вается. По крайней мере исследователи, определяющие азотфик- сацию ацетиленовым методом, всегда проводят контрольные оп­ределения на наличие в почве этилена, но обычно этилена нет, если почва естественная и не обогащалась органическими вещест­вами, а также не подвергалась другим сильным воздействиям.

3. Этилен, если он выделяется, используется многочисленны­ми почвенными микроорганизмами, способными осуществлять этот процесс, и поэтому не может накапливаться. Имеются дан­ные, что этилен не используется в анаэробных условиях.

До сих пор неясен вопрос о фунгистазисе и бактериостазисе (микробостазисе) в почвах, т.е. отсутствии роста при казалось бы благоприятных условиях. В некоторых работах предполагается, что это явление может быть обусловлено накоплением летучих органических веществ. В модельных опытах установлено, что летучие органические вещества могут задерживать прорастание спор фибов и рост некоторых почвенных бактерий. Однако на­сыщение всей массы почвы этими веществами в природных ус­ловиях представляется весьма проблематичным. Скорее всего в природе микробостазис в первую очередь объясняется недостат­ком необходимых питательных веществ. Добавление питатель­ных, в том числе и летучих органических веществ, может при­водить к снятию микробостазиса. Существенным фактором фунгистазиса в природных условиях может быть недостаток кис­лорода в определенных микрозонах. Интересная гипотеза о том, что микробостазис вызывается катаболитной репрессией, была высказана B.C. Гузевым. Явление катаболитной репрессии в ши­роком понимании этого термина состоит в том, что продукт фер­ментативной реакции задерживает синтез и подавляет актив­ность фермента. Например, добавление глюкозы подавляет разложение крахмала амилазами. Это явление четко проявляется на почвах разных типов. Очевидно, по типу катаболитной репрес­сии помимо глюкозы могут действовать и другие вещества. Нельзя не согласиться с теми авторами, которые утверждают, что микробо­стазис может вызываться рядом причин. В одном случае, напри­мер, фунгистазис был связан просто с накоплением аммония.

Действие летучих органических веществ в почве может прояв­ляться скорее всего локально. Поскольку эффект этих веществ зависит от концентрации (стимуляция, нейтрализм, подавление), очень трудно определить экологическую роль этих веществ, хотя, как показано в многочисленных работах, эти вещества могут ока­зывать сильное действие на активность, динамику популяций и на экологию микроорганизмов в целом. Пока не известна интен­сивность процессов образования определенных веществ в естест­венной почве, их значение будет неясным. Следует отметить, что современные методы (газовая хроматофафия и др.) дают прин­ципиальную возможность для изучения интенсивности процес­сов образования макрогазов, микрогазов и органических летучих веществ. Изучение действия этих веществ проходило в несколь­ко этапов: 1) установление подавляющего или стимулирующего действия веществ на чистых культурах без химической иденти­фикации веществ, 2) химическая идентификация веществ и их количественное определение в лабораторных условиях, 3) опре­деление количества и качества летучих органических веществ в почвенных образцах в лабораторных условиях, 4) такие же опре­деления, но в почвах в естественных условиях. Последний этап фактически еще не начинался, но его нужно пройти в ближай­шее время.

КОНЦЕНТРАЦИЯ ИОНОВ ВОДОРОДА (рН)

Концентрация ионов водорода (рН), как известно, оказывает очень сильное влияние на жизнедеятельность микроорганизмов. Иногда микроорганизмы не развиваются только из-за того, что в среде создается неблагоприятное для их развития рН. Для каж­дого микроба устанавливаются оптимальные, минимальные и максимальные значения рН окружающей среды, в которых он может развиваться. Микроорганизмы схематично делят на три группы: ацидофилы, нейтрофилы и алкалофилы. При более под­робном изучении оказывается, что каждый микроорганизм имеет свою характерную кривую зависимости роста от рН со своими кардинальными точками роста (минимум, оптимум и максимум рН) (табл. 8). Если брать различные показатели роста (наращи­вание биомассы, дыхание, образование вторичных метаболи­тов, спорообразование и др.), то получаются различающиеся кривые. Одни микроорганизмы могут расти в очень широком интервале рН, другие — в узком. Оптимумы для разных микро­организмов не соответствуют трем значениям рН (ацидофилы, мезофилы, алкалофилы), а образуют сплошную линию перехо­дов, поэтому выделение ацидофилов и алкалофилов имеет от­носительное значение.

Таблица 8