Методологические подходы к изучению структурно-функциональной организации микробных сообществ в наземных экосистемах локусный подход

В любой почве имеются различные локусы для развития мик­роорганизмов. Они различаются по условиям, в них развиваются микробные сообщества с различными доминантами. В качестве

Caulobacte-

Methylobac

Flavobactei

Myxobacterales Hyphomicrobium Cytophaga Metallogenium Streptomyces

Klebsiella Enterobacter

Pseudomonas

Agrobacterium

Azospirillum

«Фоновая» почва

Arikrobacter Streptomyces Bacillus

Gallionella

Seliberia

Pedomicrobium

Streptomyces Azotobacter

Pseudomonas Caulobacter Azospirillum

Proteus

Enterobacter

Vibrio

Puc. 114. Различие бактериальных сообществ в разных почвенных локусах

примера приведем доминирующие роды бактерий в различных ло­кусах (рис. 114). Это поверхность водорослей, экскременты живот­ных, ризосфера древесных пород, мицелий и плодовые тела выс­ших грибов, бобовые и злаковые растения, «фоновая» почва, содержащая из органических веществ только гумус, железо-мар­ганцевые конкреции, простейшие животные, пищеварительный тракт различных беспозвоночных животных и их экскременты. Вид­но, что везде доминируют разные микроорганизмы. На рис. 114 дана упрощенная схема. В действительности картина еще сложнее.

ВЕРТИКАЛЬНО-ЯРУСНЫЙ ПОДХОД

Вертикально-ярусный подход заключается в одновременном исследовании микробных комплексов в пределах всех ярусов эко­системы: надземном (филлоплана древесных и травянистых рас­тений), наземном (подстилки, моховой и лишайниковый покро­вы, напочвенные разрастания водорослей), почвенном (включая все генетические горизонты) (рис. 115). Для изложения данных по стратификации микробных сообществ главным является то, что растительные сообщества благодаря вертикально-ярусной организации в целом определяют пространственную организа­цию микробных сообществ в экосистемах. Это следует рассмат­ривать в эволюционном аспекте взаимоотношений микроорга­низмов и растений.

Рис. 115. Вертикальная стратификация в наземных экосистемах

Стратификация микробоценозов выражена уже в альгобакте- риальных матах и корочках напочвенных разрастаний водорос­лей, толщина которых достигает 1-3 см, и в лесных биомах, где толщина биогеоценотического покрова достигает десятков мет­ров. Микробные сообщества входят в каждый из ярусов или сло­ев в качестве постоянного и необходимого компонента. Как в альгобактериальных сообществах, так и в сложных фитоценозах с высшими растениями, существуют ярусы, четко различающие­ся по функциям и таксономической структуре. Так, в галофиль- ных матах слои оксигенного фотосинтеза, аноксигенного фото­синтеза и деструкционной зоны характеризуются специфическими таксонами. Это цианобактерии верхнего слоя, пурпурные и зеле­ные бактерии во втором слое, сульфатредукторы и метанобразу­ющие бактерии в третьем.

В напочвенных разрастаниях водорослей в самом верхнем слое доминируют грамотрицательные аэробные бактерии и стрептоми- цеты, устойчивые к метаболитам водорослей и использующие их экссудаты в качестве питательных веществ; микроаэрофилы-азот- фиксаторы (азоспириллы) — во втором ярусе, и бациллы и кори- неподобные бактерии, питающиеся уже отмершими остатками водорослей, в третьем ярусе. Рост этих бактерий ингибируется прижизненными выделениями водорослей.

Аналогичная картина наблюдается в лесных и степных под­стилках, где чередование слоев отражает сукцессию микроорга­низмов, складывающуюся в процессе переработки растительного субстрата: в верхнем слое — это грамотрицательные аэробные и факультативно-анаэробные бактерии, начинающие процесс деструкции растительных остатков и использующие водораство­римые мономеры; при переходе к нижележащим слоям проис­ходит нарастание доли сапробионтов, представленных миксо- бактериями, бациллами, актиномицетами, осуществляющими гидролиз сложных растительных полимеров. В почвенном ярусе доминантами являются такие типичные педобионты, как артро- бактер и стрептомицеты.

Следует отметить, что с живыми растениями, метаболитами которых питаются бактерии, либо с начальными этапами де­струкции растительных остатков наиболее тесно связан класс про­теобактерий. В циано- и альгобактериальных матах они пред­ставлены а-, (3- и у-подклассами. В напочвенных разрастаниях водорослей большинство таксонов верхних слоев, связанных тро­фически с живыми водорослями, относятся в основном к (3-вет- ви протеобактерий — экологической группировке копиотрофов. Этот же комплекс бактерий характерен для фитопланы высших растений.

Гидролиз мертвых растительных остатков осуществляется как таксономичсски, так и функционально отличной от ассоцииро­ванных с живыми растениями группой бактерий, относящихся к ветви грамположительных прокариот. Это как аэробные (бацил­лы), так и анаэробные (клостридии) спорообразующие бактерии, а также различные представители класса актиномицетов, куда входят и Корине- и нокардиоподобные бактерии. Все они в отли­чие от класса протеобактерий (микрофлора рассеяния) обладают гидролазами, благодаря которым осуществляется деструкция слож­ных растительных полимеров.

Для функционирования любой экосистемы, определяемой взаимоотношениями автотрофного продуцента — растения с мик­роорганизмами — редуцентами, необходимы все экологические группировки микроорганизмов, так как устойчивое сообщество должно быть полифункциональным.

Заселение суши высшими растениями могло быть только при условии, что на ней уже существовала микробная система дегра­дации биомассы. В противном случае после первоначальной ко­лонизации система должна была прекратить существование. Пер­воначально эту роль выполняли бактерии, сопровождавшие все стадии жизни растения начиная от прорастания семени и закан­чивая отмершими растительными остатками.

Особую роль в жизни растений сыграли мицелиальные мик­роорганизмы. Теория коэволюционного освоения суши предпо­лагает существенную роль симбиотической ассоциации грибов и водорослей в виде лишайников, растений и грибов в виде мико­риз в становлении наземной флоры. Прокариотные мицелиаль- ные организмы также способны образовывать микоризу на кор­нях многих кустарников и трав. Актиномицетный мицелий был обнаружен на древних водорослях — вендотениях. Такое партнерст­во позволило решить проблемы питания на суше. Все основные экологические группы растений (кроме цветковых) сложились уже в девоне, т.е. наблюдался быстрый скачок от водорослей ордови­ка до развитой флоры девона благодаря симбиотическим ассоци­ациям фибов и актиномицетов с растениями. Это партнерство сохранилось и до сих пор — 9/10 видов всех растений микотроф- ны, т.е. на корнях имеют микоризу. Более 160 видов растений на корнях имеют актиноризу. В основе симбиоза лежит снабжение растения актиномицетами рода Franckia связанным азотом в об­мен на получаемые продукты фотосинтеза. Грибы распространя­лись на сушу не только в виде различных микориз. Наиболее ранние наземные сапротрофные фибы известны с позднего си­лура и раннего девона. Поступление растительных остатков, со­держащих лигноцеллюлозу, способствовало выходу на первый план активных деструкторов этих сложных полимеров, т.е. гри­бов. Таким образом, прежняя деструкционная бактериальная цепь, сложившаяся во времена господства цианобактерий, была заме­нена на комплекс сапротрофных фибов — разрушителей лигно- целлюлозы. Именно грибы, по последним данным, составляют 90% и более от общих запасов микробной биомассы во всех ти­пах почв. Благодаря их деятельности в комплексе с другими фуп- пами микроорганизмов осуществляется конвейерная переработ­ка растительного опада, наглядным отражением которой являются стратифицированные слои подстилок и почвенных горизонтов.

Таким образом, растения и микроорганизмы прошли длитель­ный путь коэволюции, и в настоящее время продолжается их тесная взаимосвязь на разных иерархических уровнях.

В микробиологии такое направление, связанное прежде всего с ярусной организацией растительных сообществ, до последнего времени почти не развивалось, и при сравнении микробных со­обществ разных природных зон анализировали в основном лишь гумусовый горизонт (А1) почвенного профиля. При таком под­ходе учитывалась весьма незначительная и большей частью не очень активная доля микробного населения почв. Так, из бакте­рий высевались из усредненных почвенных образцов в основном бациллы и актиномицеты, т.е. те формы, которые находятся в почве большей частью в виде покоящихся спор и конидий.

Стратиграфический анализ микробных сообществ в разных ти­пах биомов позволил выявить ряд закономерностей в пространст­венной организации микробных комплексов, показав, что прин­ципы вертикальной дифференциации сообществ, выявленные на примере растений и животных, распространяются и на микроор­ганизмы.

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ПОДХОД

Географический подход к изучению микробных сообществ был впервые предложен академиком Е.Н. Мишустиным, показавшим, что закон географической зональности применим и к микроор­ганизмам. Основными объектами, на которых были установлены закономерности в географическом распределении видов в почвах, были спорообразующие аэробные бактерии — бациллы. Иденти­фикация до вида проводилась визуально на основании культу- рально-морфологических особенностей колоний на специально подобранной среде. В результате было показано, что видовой состав доминирующих бацилл меняется при переходе от север­ных почв к южным.

В течение длительного периода времени в литературе не появ­лялось новых сообщений, подтверждающих либо опровергающих приуроченность отдельных видов микроорганизмов к определен­ным географическим зонам и типам почв. Это связано с тем, что накопление фактического материала, пригодного для географи­ческого анализа, в микробиологии происходит очень медленно с огромными затратами труда и времени, связанными прежде все­го с трудностями количественного учета и видовой идентифика­ции микроорганизмов, особенно бактерий.

Смена парадигмы, касающейся эволюции микробного мира, привела к осознанию необходимости изучения не географиче­ской приуроченности отдельных видов, а соответствия ландшаф­та и микробного сообщества, развивающегося в нем в соответст­вии с климатическими и другими условиями. Именно с этих позиций микробной биогеографии и анализируется структура микробоценозов в почвах разных природно-климатических зон.

СУКЦЕССИОННЫЙ ПОДХОД

Микробные сообщества постоянно претерпевают сукцессион- ные изменения. В течение годового цикла происходит сукцессия почвенных микроорганизмов, например, последовательная сме­на групп и видовых популяций микроорганизмов при разложе­нии растительного опада. При этом флуктуирует и суммарная биомасса, и таксономический состав почвенной микробиоты. Существенные изменения в соотношении численности различ­ных групп микроорганизмов в значительной мере определяют изменения в направленности и интенсивности проводимых поч­венной микробиотой процессов. Характер сукцессии определя­ется как внешними воздействиями, такими как обогащение поч­вы органическим веществом, внесение удобрений, попадание загрязнителей, оттаивание и замерзание почвы, увлажнение су­хой почвы, так и внутренней логикой процесса, когда предыду­щие сукцессионные события создают необходимые предпосылки для последующих. Сам процесс почвообразования (как и про­цесс деградации) также сопровождается микробной сукцессией.