Анаэробные почвенные бактерии, анаэробы

Вся электронная библиотека      Поиск по сайту

 

Почвенные организмы

Экология анаэробных почвенных бактерий

 

жизнь в почве

 

Смотрите также:

 

Почва и почвообразование

 

Почвоведение. Типы почв

почвы

 

Химия почвы

 

Круговорот атомов в природе

 

Книги Докучаева

докучаев

 

Происхождение жизни

 

Геология

геология

Основы геологии

 

Геолог Ферсман

 

Черви и почвообразование

дождевые черви

 

Дождевые черви

 

Вернадский. Биосфера

биосфера

 

Геохимия - химия земли

 

Гидрогеохимия. Химия воды

 

Минералогия

минералы

 

Земледелие. Агрохимия почвы

 

Справочник агронома

 

Удобрения

 

Происхождение растений

растения

 

Ботаника

 

Биология

биология

 

Эволюция биосферы

 

Земледелие

 

растения

 

Тимирязев – Жизнь растения

 

Жизнь зелёного растения

зелёные растения

 

Геоботаника

 

Мхи

 

Водные растения

 

Общая биология

общая биология

 

Лишайники

 

Мейен - Из истории растительных династий

Мейен из истории растительных династий

 

Удобрения для растений

 

Биографии биологов, почвоведов

Биографии почвоведов

 

Эволюция

 

Микробиология

микробиология

 

Пособие по биологии

 

  

Содержание:

 

1.     Роль анаэробов в процессах трансформации органических и минеральных веществ в почве

2.     Распространение анаэробных бактерий в почвах различных климатических зон

3.     Распространение протеолитических анаэробов рода Clostridium

4.     Анаэробные бактерии

5.     Распространение сульфатредуцирующих анаэробов

6.     Экологическая изменчивость почвенных анаэробов

7.     Факторы внешней среды и деятельность анаэробных бактерий в почве

8.     Трансформация белоксодержащих субстратов протеолитическими анаэробами

9.     Способность бактерий фиксировать атмосферный азот. Гетеротрофная несимбиотическая азотфиксация

10.  Литература

 

 

В. Т. ЕМЦЕВ

Московская сельскохозяйственная академия им. К. А. Тимирязева

 

В 1861 г. Луи Пастер открыл «жизнь без воздуха» и описал первую анаэробную бактерию — возбудителя маслянокислого брожения — Vibrion butyrique. Это открытие положило начало широким исследованиям в новой области микробиологической науки. Анаэробные бактерии обнаруживали в почвах, в воде и грунтах озер, рек, морей и океанов, в природных полостях человека, животных, насекомых и т. д. (Емцев, 1974).

 

Роль анаэробов в процессах трансформации органических и минеральных веществ в почве

 

В почве анаэробные бактерии участвуют в основных биологических циклах: в цикле углерода (брожение простых углеводов, целлюлозы, пектиновых веществ, липидов), азота (брожение белков и аминокислот, фиксация атмосферного азота), серы (восстановление сульфатов и сульфитов, сернокислых соединений), фосфора (метаболизм органического и минерального фосфора) и т. д.

 

Ряд анаэробных бактерий используется для получения химических веществ путем маслянокислого и ацетонобутилового брожений. Эти организмы могут вызвать опасные инфекционные заболевания человека и животных.

 

Однако вопрос о роли анаэробов в процессах трансформации органических и минеральных веществ в почве до настоящего времени не получил полного освещения. Это обусловлено главным образом нерешенностью многих принципиальных вопросов биологии этих организмов.

 

Разработка целостного представления о биологии анаэробных бактерий теснейшим образом связана с выяснением экологических закономерностей существования анаэробов в почве.

 

Основная цель настоящей работы — рассмотрение вопросов о распространении и участии различных анаэробов в трансформации органических и минеральных веществ в почве, а также в процессе связывания молекулярного азота атмосферы. Значительное место занимают вопросы воздействия внешней среды на изменчивость биологических осоЬенностей анаэробов в почве.

 

Распространение анаэробных бактерий в почвах различных климатических зон СССР

 

В течение ряда лет на кафедре микробиологии Сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева разрабатывается вопрос о составе ценозов сахаролитических анаэробов рода Clostridium Praz- mowsky   почв различных климатических зон.

 

Выполненная работа позволяет заключить, что ареалы оптимального размножения для разных видов Clostridium не одинаковы. В силу этого группировки доминантных видов анаэробов различны для почв различных климатических зон (Емцев, 1974).

 

В последнее время внимание было нами уделено протеолитическим и пуринолитическим анаэробам рода Clostridium и . сульфатредуци- рующим бактериям родов Desulfovibrio и Desulfotomaculum  , данных по экологии которых очень мало. Вместе с тем эти группы анаэробов представляют определенный интерес ввиду их повсеместной распространенности и важной роли в процессах трансформации органических и минеральных веществ в почве.

 

Методики количественного учета анаэробов родов Clostridium, Desulfuvibrio и Desulfotomaculum в почве приведены в следующих работах: (Емцев, 1965; Емцев, Бабайцева, 1978; Горова, Емцев, 1978; Лимарь, 1980; Емцев, 1981).

 

Распространение сахаролитических анаэробов рода Clostridium

 

Обобщение полученных данных позволило сделать ряд выводов. Прежде всего отмечается, что почвы северной зоны СССР (подзолы, дерново-подзолистые почвы и т. д.) содержат в верхнем горизонте (А4) значительно больше сахаролитических Clostridium, чем более южные почвы. В основной массе эти бактерии представлены здесь CI. pasteu- rianum. На втором месте находятся CI. butyricum. Относительно бедно в почвах представлены пектинолитические Clostridium, ацетонобу- тиловые бактерии (CI. acetobutylicum) находятся в северных почвах в очень малом числе.

 

По мере перехода к югу численный состав сахаролитических Clostridium уменьшается в основном за счет редукции количества клеток CI. pasteurianum и CI. butyricum, а также отчасти пектиноли- тических Clostridium. Однако численность ацетонобутиловых бактерий несомненно возрастает и процент CI. acetobutylicum резко увеличивается (табл. 1).

 

С глубиной количество анаэробных сахаролитических бактерий падает, что связано с уменьшением содержания органического вещества в почве (Емцев, 1974). Они, очевидно, размножаются в микрозонах, совсем либо в значительной мере лишенных доступа кислорода;

 

Отмеченная нами закономерность повторяется и в почвах вертикальных зон (табл. 1),хотя абсолютные цифры здесь несколько иные.

Число клеток бактерий рода Clostridium в почве в достаточной мере динамично. Это заставляет думать, что значительная часть их находится в почве в состоянии вегетативных клеток. Обычно максимальное число клеток Clostridium отмечается весной и осенью, когда в почве имеется большое количество свежего органического вещества. Окультуренные и особенно удобренные органическими веществами почвы значительно богаче представителями маслянокислых бактерий. Подобная тенденция отмечена и для пектинолитических, и ацетоно- бутиловых бактерий.

 

Возникает вопрос о причинах обильного размножения CI. pasteu- rianum в почвах северной зоны и преобладания CI. acetobutylicum в почвах юга. Модельные опыты с компостированием растительных остатков показывают, что в разлагающейся массе первоначально размножаются маслянокислые бактерии. Позднее, когда компост обогащается микробным белком, а возможно, и другими соединениями микробного синтеза (аминокислоты, витамины и т. д.), маслянокислые бактерии сменяются ацетонобутиловыми, более требовательными к субстрату и обладающими протеолитическими свойствами.

 

Распространение протеолитических анаэробов рода Clostridium

 

Протеолитические анаэробы рода Clostridium распространены во всех исследованных почвах широтных зон Союза. В наибольшем количестве они содержатся в сероземе, в наименьшем —в дерново-подзолистой почве. Количество (тыс./г почвы) анаэробов рода Clostridium с протеолитическими свойствами в целинных и окультуренных почвах с севера на юг увеличивается, что видно из приведенных ниже данных.

 

Почвенная зона СССР, почвы, область     Целинная почва            Окультуренная почва

Таежно-лесная, дерново-подзолистая почва (Московская обл.)            14,3     27,0

Степная, чернозем типичный (Воронежская обл.)         31,9            79,0

Зона сухих степей, светло-каштановая почва (Ки- ровабадская обл.)   64,3     180,0

Зона пустынных степей, серозем (Ташкентская обл.)    125,0            198,0

 

Представляет интерес сопоставление этих данных с результатами приведенных выше исследований, которые показали, что по мере продвижения с севера на юг в почвах уменьшается численность маслянокислых бактерий и возрастает ацетонобутиловых обладающих, как известно, протеолитической активностью.

Динамика численности клеток (тыс./г почвы) протеолитических сбраживающих и не сбраживающих углеводы анаэробов в течение вегетационного периода в разных почвах

Почва Май    Июль  Август            Сентябрь

Дерново-подзолистая                                                                                            

целинная       10,7*   5,91** 9,4*     6,8**   14,4*   14,3** 15,9*            5,3**

окультуренная          —        —        28,2     18,9     28,1     27,0            36,0     20,0

Чернозем                                                                                         

целинная       19,9     15,7     26,9     18,0     42,0     31,9     66,0            20,0

окультуренная          —        —        29,0     32,3     53,2     79,0            55,4     37,7

Светло-каштановая                                                                                    

целинная       45,4     24,1     26,3     28,4     80,0     64,3     88,4            58,3

окультуренная          —        —        38,1     42,3     183,0   180,0            118,0   76,0

Серозем                                                                                           

целинная       183,0   114,0   115,4   105,0   150,0   125,3   —        —

окультуренная          —        —        188,1   165,0   254,3   198,0   —            —

Здесь и ниже: * сбраживают углеводы, ** не сбраживают углеводы.

 

Известно, что в дерново-подзолистой почве вследствие сравнительно низкой биогенности и слабой скорости минерализации растительных остатков накапливается большое количество легкодоступных соединений (типа углеводов), что обусловливает преимущественное развитие маслянокислых бактерий. Эти условия оказываются неблагоприятными для развития протеолитических анаэробов, которые требуют наличия белков и пептидов для нормального роста.

 

Для почв южных районов характерна быстрая минерализация растительных остатков, что ограничивает развитие маслянокислых бактерий. Вследствие большой обогащенности этих почв белком из- за высокой биогенности среди анаэробов доминирующее положение начинают занимать протеолитические анаэробы.

 

Протеолитические анаэробы, сбраживающие углеводы, в южных почвах встречаются в большом количестве, чем в северных. Их численность возрастает в августе и в сентябре (табл. 2).

 

Вероятно, такую тенденцию можно объяснить благоприятными условиями для их жизнедеятельности в этот период: накоплением растительных остатков, содержащих белковые вещества, обогащением почвы биологически активными соединениями и т. д.

 

Что касается влияния окультуривания почвы на распространение протеолитических анаэробов, то, по нашим данным, в большинстве исследованных почв их численность на целине была ниже, чем на пашне.

 

Распространение пуринолитических анаэробов рода Clostridium. Анаэробные бактерии, использующие пуриновые соединения, обнаружены во всех изученных почвах (табл. 3). Наибольшее количество этих организмов выявлено в каштановой почве, меньшее — в сероземе, в черноземе и дерново-подзолистой почве численность их незначительна. Следует отметить существенные различия в количественном составе анаэробов, использующих то или иное пуриновое соединение, в одной и той же почве. Так, клеток анаэробов, использующих аденин и гипоксантин, в дерново-подзолистой почве было значительно меньше (в 10 раз и более), чем использующих аденозин. Большая доступность нуклеозидов для бактерий, по-видимому, объясняется содержащимися в них углеводами.

 

Анаэробные бактерии

 

Численность анаэробов, использующих мочевую кислоту, достаточно высокая во всех почвах и почти одинаковая по отношению к численности микроорганизмов, использующих нуклеозиды. Известно, что такие специфические по отношению к пуринам анаэробы, как CI. acidiurici и CI. cylindrosporum, быстро расщепляют ксантин, мочевую кислоту, медленнее — гипоксантин (Баркер, 1969).

 

Доминирование анаэробов, использующих пуриновые соединения, в каштановой почве и в меньшей степени в сероземе, вероятно, связано с интенсивной минерализацией органического вещества в южных почвах и обогащением их белком, нуклеиновыми кислотами, аминокислотами и другими соединениями микробного происхождения. Согласно исследованиям некоторых авторов (Панников, 1976),

 

Количество клеток (тыс./г почвы) анаэробов, использующих пуриновые и пи- римидиновые соединения в целинных (1) и окультуренных (2) почвах пуриновые и пиримидиновые соединения как компоненты нуклеиновых кислот, содержащихся в почве, имеют преимущественно микробный источник поступления. Этим, видимо, объясняется наблюдаемая нами тенденция к повышению численности изучаемых анаэробов с севера на юг.

 

Окультуривание почв в ряде случаев способствовало увеличению количества анаэробных бактерий, использующих пуриновые соединения (табл. 4).

В серой лесной почве, а также в интразональных почвах (табл. 5) особенно распространены бактерии, использующие ксан- тин и аденозин.

Вниз по почвенному профилю численность анаэробов, использующих пуриновые соединения, как правило, снижалась (табл. 6), что, по-видимому, связано с уменьшением содержания органического вещества с глубиной. Только в слое 5—15 см анаэробов, использующих аденозин, обнаружено значительно больше, чем в слое 0—5 см.

 

Анаэробные бактерии, использующие пиримидиновые соединения, также были обнаружены во всех исследованных почвах (табл. 3), причем в каштановой почве их численность оказалась наибольшей, а в дерново-подзолистой и черноземе — наименьшей.

 

Следует подчеркнуть, что количество анаэробов, выявленных на средах с пиримидиновыми основаниями, несколько выше, чем на средах с пуриновыми основаниями (см. табл. 3), что видимо, можно объяснить лучшей доступностью пиримидинов для анаэробных бактерий.

 

Для каждой почвы характерны существенные различия в количественном составе анаэробов, использующих то или иное пиримиди-

новое соединение (табл. 4). Так, в сероземе и дерново-подзолистой почве количество клеток анаэробов, использующих урацил, в 10 раз превышало численность анаэробов, использующих цитозин. Известно, что цитозин как продукт разложения РНК плохо используется анаэробами и накапливается в почве. Выявлено, что в каштановой и дерново-подзолистой почвах численность анаэробов, использующих нуклеотиды, в 5 раз меньше количества бактерий, использующих нуклеозиды. В сероземе и черноземе эта разница менее выражена.

 

Следует отметить увеличение количества анаэробов, использующих пуриновые и пиримидиновые соединения микроорганизмов в весенне-осенний период. Это, возможно, связано с поступлением в почву свежего органического вещества. Наблюдалась также тенденция к увеличению численности микроорганизмов, использующих пиримидиновые соединения, от северных почв к южным.

 

Нами не выявлено существенных различий в количестве анаэробов, использующих пиримидиновые соединения, в целинных и окультуренных почвах (см. табл. 4).

В интразональных почвах обнаружено наибольшее число клеток бактерий, использующих урацил (табл. 5). Следует подчеркнуть, что в лугово-каштановой почве преобладают анаэробы, развивающиеся только на, оротовой кислоте.

 

При изучении распространения анаэробов, растущих на пирими- диновых соединениях, по почвенному профилю также обнаружено уменьшение численности бактерий с глубиной (табл. 6).

 

Распространение сульфатредуцирующих анаэробов

 

Сульфатреду- цирующие анаэробы встречаются во всех типах почв Советского Союза. Выявлена тенденция увеличения численности этих микроорганизмов в почвах с севера на юг. Зоной оптимального размножения сульфатредуцирующих анаэробов являются южные почвы — черноземы, каштановые почвы, красноземы. Особенно много их обнаружено в южных почвах под рисом (лугово-черноземовидная почва, солонец луговой солончаковый и др.) (см. ниже).

 

В этих почвах количество бактерий исчислялось тысячами и миллионами клеток на 1 г почвы, что на несколько порядков выше, чем в других почвах. Максимальная численность сульфатредуцирующих бактерий была отмечена в солонце луговом солончаковом — 1134,75 тыс. клеток на 1 г почвы. Это, по-видимому, можно* объяснить сульфатным типом засоления, а также диспергацией почвы при избыточном содержании натрия в почвенно-поглощающем комплексе, что приводит к разрушению гумуса и переходу части его в почвенный раствор (Мипашина, Гаврилова, 1975).

 

Численность сульфатредуцирующих бактерий в окультуренных почвах была существенно выше, чем в целинных. Зависимость развития сульфатредукторов от окультуривания подтвердили исследования почв под монокультурой риса (Краснодарский край) без удобрений и с внесением минеральных и органических удобрений (см. ниже).

 

В вариантах с внесением зеленого удобрения и совместно зеленого и минерального удобрений количество сульфатредуцирующих анаэробов было значительно выше по сравнению с контролем. При внесении минеральных удобрений отмечалось некоторое подавление развития бактерий. Это, возможно, связано с тем, что минеральные удобрения значительно сдвигают рН почвы в кислую сторону, в то время как для этой группы бактерий оптимальной является нейтральная или слабощелочная реакция среды. Численность сульфатредуцирующих бактерий по профилю солонца лугового солончакового зависит от горизонта и с глубиной уменьшается, в горизонте С бактерии не были обнаружены (см. ниже).

 

Развитие сульфатредуцирующих бактерий в верхних слоях почвы обусловлено наличием легкодоступных органических веществ.

Экологическая изменчивость почвенных анаэробов

 

Существование микроорганизмов в почвенных средах с различным режимом должно вызывать специфические изменения адаптационного характера. Этот вопрос явился темой наших многолетних исследований с анаэробными бактериями (Емцев, 1974; Мишустин, Емцев, 1974; Емцев, Мухаметдинова, 1981; Emtsev, 1982). Прежде всего необходимо остановиться на температурной адаптации почвенных микроорганизмов.

 

Нами было изучено отношение к температуре сахаролитических анаэробов (табл. 7). Как видно, оптимальные температуры развития у этих микроорганизмов отражают особенности среды, в которой они обитают. Южные расы имеют более высокие оптимальные и максимальные температуры развития. У CL pasteurianum температурный оптимум лежит существенно ниже, чем у CI. acetobutylicum. Последний микроорганизм менее заметно меняет положение оптимальной температурной точки в зависимости от зоны.

 

Возникает вопрос — чем можно объяснить разное отношение анаэробных бактерий к температурным условиям среды? По мнению Е. Н. Мишустина (1947), это следствие разной роли отдельных групп почвенных бактерий в разложении органических остатков. В минерализующейся растительной массе происходит сукцессия микроорганизмов. Обычно микроорганизмы первых стадий разложения растительных остатков проявляют адаптационную реакцию к температуре климата, так как они стремятся возможно быстрее использовать субстрат и приспосабливаются к окружающей обстановке. Модельными опытами установлено (Емцев, Сидоренко, 1968), что сахароли- тические анаэробы (CI. pasteurianum, CI. butyricum и др.) энергично развиваются в первый период распада растительных остатков, а про- теолитические (CI. acetobutylicum, CI. sporogenes и др.) — на завершающем этапе. Следовательно, CI. acetobutylicum позднее включается в процесс минерализации растительных остатков и может быть -)то определяет его более слабую реакцию на температурные условия климата.

 

Для протеолитических анаэробов рода Clostridium также была установлена (табл. 7) адаптационная реакция к температурному фактору.

Представлялось важным изучить вопрос — изменяются ли физио- лого-биологохимические особенности почвенных анаэробов в связи с их адаптацией к условиям среды. Повышение температурного оптимума у бактерий южной зоны связано с появлением в клетке более активных ферментных систем. Действительно, было показано, что у южных культур протеолитических анаэробов рода Clostridium протеолитическая активность значительно усиливается (табл. 8). Так, при протеолизе казеина протеолитическая активность у культур CI. bifermentans и CI. sporogenes, изолированных из северных почв, составляла в среднем 34,7 и 31,3 ед./мл, а у тех же видов, выделенных из южных почв, ее величина достигала 53,1 и 56,3 ед./мл соответственно. Подобные различия наблюдали и при расщеплении гемоглобина.

 

У экологических рас азотфиксирующих бактерий рода Clostridium было отмечено изменение в составе продуктов брожения (Емцев, 1974). У южных культур CI. pasteurianum в продуктах брожения заметно уменьшается выход масляной кислоты и увеличивается содержание спиртов. Аналогичный сдвиг отмечается у культур CI. acetobutylicum. У культур CI. butyricum и CI. butylicum подобное явление проявляется менее резко. Обратная картина наблюдается в отношении спиртов (бутилового и этилового). Если взять процентное соотношение кислот, образованных культурами Clostridium разного происхождения, к спиртам, то наглядно устанавливается уменьшение этого показателя у южных культур (см. ниже).

 

У исследованных культур рода Clostridium закономерно изменяется также азотфиксирующая активность, о чем более подробно будет сказано дальше.

 

Изменение в составе продуктов брожения белков было выявлено и у экологических рас протеолитических анаэробов рода Clostridium. Так, у культур CI. sporogenes, CI. bifermentans, CI. subterminale, выделенных из разных почв, по мере перехода от северных к южным почвам происходит возрастание в составе продуктов брожения процентного содержания уксусной кислоты и уменьшение доли масляной (табл. 8).

 

Что касается образования спиртов культурами протеолитических анаэробов разного происхождения, что CI. sporogenes из северных почв обычно продуцируют наименьшее количество этилового спирта и наи- болыне — бутапола, в то время как Gl. sporogenes из южных почв образовывали меньше бутанола и, наоборот, больше этанола (табл. 9).

 

Ряд культур рода Clostridium был исследован газохроматографиче- ски после пиролиза. Пирограммы культур одного и того же вида, но разного происхождения несколько отличались друг от друга, что говорит о специфике их состава.

 

На физиологических свойствах анаэробных бактерий отражаются не только почвенно-климатические условия, но и антропогенные факторы. Была выявлена положительная реакция анаэробных бактерий на мелиоративные мероприятия. Количество клеток Clostridium в почвах таких участков во много раз превышает численность этих организмов в целинных и немелиорированных почвах. Окультуривание почвы сказывается на физиологической активности бактерий рода Clostridium. Культуры, выделенные из целинных почв, обладают меньшей ауксогетеротрофностью и более слабой ферментативной активностью, у культур Clostridium, изолированных из окультуренных почв, несколько изменяется состав продуктов брожения.

 

Как видно из изложенного в настоящем разделе материала, у почвенных анаэробных микроорганизмов установлена экологическая изменчивость, обусловливающая появление экологических рас.

 

Факторы внешней среды и деятельность анаэробных бактерий в почве

 

Фиксация молекулярного азота атмосферы сахаролитическими анаэробами. В настоящее время известно более 10 видов анаэробных сахаролитических бактерий рода Clostridium, способных фиксировать молекулярный азот атмосферы. На азотфиксирующую активность этих микроорганизмов существенное влияние оказывают почвенно-климатические условия (Емцев, 1974). Так, на единицу использованного источника углерода южные культуры Clostridium усваивают меньше молекулярного азота, чем культуры, выделенные из почв более холодного климатического пояса. Это изменение резко проявляется у CI. pasteurianum и CI. butyricum, менее четко — у CI. butylicum и Cl. acetobutylicum. Отмеченное влияние может быть объяснено энергичной минерализацией органических азотсодержащих соединений и активной нитрификацией в южных почвах. Поэтому южные расы Clostridium адаптированы к питанию связанными формами азота и активность нитрогеназы у них снижена.

 

В табл. 10 приведены средние данные, полученные для ряда культур бактерий рода Clostridium, фиксирующих N2. Неодинаковая азот- фиксирующая активность экологических рас Clostridium, давала

Азотфиксирующая способность экологических рас бактерий рода Clostridium

(мг N./1 г глюкозы)

Климатическая зона С), pasteu- riariurn    CI. butyricum CI butylicum       Cl. acetobutylicum

Северная        8,5       9,5       3,7       3,3

Умеренная     7,5       7,0       3,6       3,2

Южная           4,3       6,1       3,4       2,9

Субтропическая       3,6       4,2       3,4       2,6

 

возможность предположить, что разные почвы фиксируют в анаэробных условиях неодинаковое количество молекулярного азота. Этот вопрос был изучен с использованием тяжелого азота (i5N2). Для опыта использовали нестерильные целинные почвы, которые были дополнительно инокулированы соответствующими культурами CI. pasteurianum. В почву одного из вариантов была добавлена глюкоза в количестве 1%. Опыт продолжался 1 мес при температуре 20—25°. Полученные данные по азотфиксации, перечисленные на 1 кг почвы и на 1 га пахотного слоя, даны в табл. И.

 

Наибольшая интенсивность связывания молекулярного азота атмосферы в варианте без добавки глюкозы наблюдается в дерново- подзолистой почве, наименьшая — в каштановой. Это подтверждает большую азотфиксирующую активность анаэробных бактерий рода Clostridium почв северной зоны. Внесение глюкозы несколько меняло соотношение, но все же в южной почве анаэробная фиксация N2 шла слабее.

 

Культурам Clostridium butyricum, изолированным из окультуренных почв, свойственна более высокая азотфиксирующая способность (N2/r глюкозы) (см. ниже).

 

Трансформация белоксодержащих субстратов протеолитическими анаэробами

 

Нами было исследовано разложение различных белоксодержащих субстратов протеолитическими анаэробными бактериями в условиях модельных опытов с почвой (Мухаметдинова, Емцев, 1981). В вариантах с инокуляцией CI. sporogenes (табл. 12) гидролиз указанного белка происходит наиболее интенсивно в светло-каштановой, в меньшей степени — в дерново-иодзолистой почве. Наибольшее высвобождение фракции N—NH4 азота наблюдается при внесении в почву альбумина по фону инокуляции, причем самая интенсивная аммонификация также происходит в светло-каштановой почве.

 

Следовательно, протеолитические Clostridium в почве осуществляют протеолиз белка, причем в различных почвах он происходит с разной интенсивностью. Тип почвы оказывает существенное влияние на активность протеолиза, а также на соотношение продуктов брожения белков у протеолитических анаэробных бактерий. Интенсивность гидролиза белка в почве возрастает по мере продвижения с севера на юг: наиболее слабо гидролиз протекает в дерново-подзолистой, наиболее интенсивно — в светло-каштановой почве.

 

Разложение альбумина указанными бактериями сопровождается образованием летучих жирных кислот: муравьиной, уксусной, в некоторых случаях масляной. Их количество увеличивалось при внесении в почву глюкозы и достигало наибольшей величины в дерново- подзолистой почве. Итак, CI. sporogenes, изолированный из дерново- подзолистой почвы, обнаруживает большую бродильную активность по сравнению с культурами, выделенными из более южных почв.

 

Обогащение почвы казеином с последующей инокуляцией культурами Ci. bifermentans, полученными из различных типов почв, показало, что наиболее энергично протеолиз казеина осуществляют бактерии, изолированные из южных почв (светло-каштановой и серозема), при этом высвобождается больше N—NH4 азота и свободных аминокислот.

 

Влажность оказывала существенное влияние на трансформацию казеина: менее энергично она проходила при уровне влажности, соответствующей 60% от полной влагоемкости, и достигала максимальной величины в условиях полного затопления.

 

Опыты показали, что протеолитические клостридии в почве гид- ролизуют белковые вещества, входящие в состав клевера, процесс разложения которого характеризуется аммонификацией протеинов.

 

Накопление азота в различных почвах при трансформации альбумина протеолитическими анаэробами (в мг N — NH4 на 100 г сухой почвы)

Вариант         Дерново-подзолистая          Светло-каштановая

Почва (контроль)     4,51*   4,51 *  2,91 *  2,91 **

Почва + CI. sporogenes         9,23     13,18   15,23   16,23

Почва + альбумин (конт      18,90   18,90   13,91   13,91

роль)                                     

Почва + альбумин+ С1. spo 71,42   80,17   89,67   110,79

rogenes                                             

Здесь и ниже: * 3-суточный, ** 10-суточный опыт.

 

Интенсивность трансформации белковых соединений клевера культурами CI. sporogenes зависела от типа почвы, из которой были изолированы бактерии. Наибольшую протеолитическую активность в почве обнаружили культуры, выделенные из серозема, наименьшую— из дерново-подзолистой почвы. Протеолиз белковых веществ сопровождался подщелачиванием почвы, образованием свободных аминокислот и их дезаминированием, продуцированием летучих жирных кислот, главным образом уксусной.

 

Наряду с растительным материалом источником белкового азота в почве являются также органические удобрения (навоз). Нашими исследованиями установлена способность CI. sporogenes разлагать белковые вещества, входящие в состав навоза. Температура оказывала существенное влияние на трансформацию белковых компонентов навоза. Наибольшая их аммонификация наблюдалась при температуре 37°, и она практически отсутствовала при 5°. При 37° С отмечена и наибольшая численность протеолитических клостридий. Обнаружено быстрое превращение аминокислот в почве, образующихся при гидролизе белков навоза. Разложение навоза протеолитическими клостридиями сопровождалось образованием в почве уксусной кислоты.

 

Участие сульфатредуцирующих бактерий в трансформации соединений серы и фиксации молекулярного азота атмосферы. Анаэробные сульфатредуцирующие бактерии играют большую роль в трансформации минеральных соединений в затопленных почвах рисовых полей. Было изучено участие сульфатредуцирующих микроорганизмов в изменении содержания различных форм азота и фиксации молекулярного азота атмосферы в почве при ее затоплении в условиях модельных опытов (Емцев и др., 1982; Лимарь, 1982).

 

Определение форм серы проводили в исходной почве и после 36 суток инкубаций в затопленном состоянии при +28° С (табл. 13).

 

До затопления основная часть серы в почве была представлена серой органических соединений (85,7%) и сульфатов (14,3%). Содержание в почве сульфатов определяли по разности между валрвым содержанием серы и суммой серы органических соединений и сульфидов.

В стерильной почве в процессе инкубации не произошло изменений в содержании серы органических соединений и сульфатов.

В нестерильной почве и вариантах с культурами сульфатредуцирующих бактерий произошло уменьшение валового содержания серы за счет выделения газообразных восстановленных продуктов. В почвах с культурами Desiilfotomaculum orientis и Desulfovibrio desulfuricans происходило выделение лишь сероводорода. В нестерильной почве, кроме указанного газа, могли образоваться, но в меньших количествах, и другие летучие соединения, такие, как се- ^ роуглерод, метилсульфид, диметилсульфид, диметилдисульфид и др.

 

Потери серы из почвы были определены и методом меченых атомов путем внесения в почву сульфата натрия, меченного 35S (табл. 13). Результаты, полученные этим методом для газообразных соединений серы, были близки к данным химических анализов.

 

Содержание серы органических соединений осталось практически постоянным во всех вариантах, хотя для нестерильной почвы это не означает неизменного состояния серы данной формы. В анаэробных условиях органическая сера находится в почве в состоянии, близком к динамическому равновесию: с одной стороны, запасы серы уменьшаются при разложении органического вещества и перехода ее в минеральные продукты распада, а с другой — пополняются за счет образования органического вещества из минеральных соединений.

 

В вариантах с сульфатредуцирующими бактериями 2/з сульфатов было переведено в восстановленные формы: 46% превратилось в сульфиды и 20% терялось из почвы в виде сероводорода. В нестерильной почве образовалось меньше летучих серосодержащих соединений и больше сульфидов. Эти различия между вариантами, возможно, обусловлены тем, что в нестерильной почве за счет активного развития железоредуцирующих бактерий образовалось больше за- кисного железа, способного связывать сероводород в нерастворимый сульфид железа.

 

Сульфатредуцирующие бактерии вносились в стерильную почву в количестве 105 клеток на 1 г почвы, что было близко к их естественному содержанию в нестерильной лугово-черноземовидной почве. Суммарное содержание восстановленных соединений серы в этих вариантах также было приблизительно одинаково. Этот факт указывает на ведущую роль сульфатредукторов в образовании в почве сульфидов и сероводорода.

 

При сравнении вариантов с внесением различных культур бактерий следует отметить, что Dv. desulfuricans характеризовалась большей активностью в восстановлении сульфатов, что можно объяснить температурой инкубации (+28° С), оптимальной именно для неспо- рообразующих сульфатредуцирующих бактерий.

 

Способность бактерий фиксировать атмосферный азот. Гетеротрофная несимбиотическая азотфиксация

 

Как известно, способность фиксировать атмосферный азот широко распространена среди представителей рода Desulfovibrio и Desul- fotomaculum (Dalton, 1974; Назина и др., 1979). Результаты наших исследований подтвердили эти данные. Все выделенные культуры сульфатредуцирующих бактерий фиксировали молекулярный азот (см. ниже). Азотфиксирующая активность (А) изменялась в зависимости от штамма, и у неспорообразующих бактерий была в 3— 5 раз выше, чем у представителей рода Desulfotomaculum. Наименьшую активность проявила термофильная культура Dm. nigrificans — 0,10 нм на 1 мл среды в 1 ч.

 

Изучение потенциальной азотфиксирующей активности сульфатредуцирующих бактерий в почве в условиях модельных опытов показало, что она была довольно высокой (табл. 14). Внесенные сульфаты не оказали существенного влияния на динамику сульфатредуцирующих бактерий и их нитрогеназную активность. Лишь на 10-е сутки инкубации нитрогеназная активность была несколько меньше ожидаемой и составляла 0,53 мг азота/кг почвы в сутки.

 

Внесение органического вещества и совместное внесение сульфатов и органического вещества вызвало увеличение в 2—9 раз по сравнению с контролем активности азотфиксации, а максимальная активность отмечалась при совместном внесении органического вещества и сульфатов.

 

Для определения масштабов гетеротрофной несимбиотической азотфиксации, осуществляемой сульфатредуцирующими бактериями, нами был измерен уровень актуальной азотфиксации в нестерильной почве и в двух типах стерильных почв с внесением биомассы Dv. desulfuricans на уровне, близком к естественному (105 клеток на 1 г почвы). Азотфиксация чистой культурой колебалась в пределах 2—7 мкг азота на 1 кг почвы в сутки, а в нестерильной почве с увеличением срока затопления достигала 115 мкг азота в сутки. Актуаль ная азотфиксация в нестерильной почве составила 4,06 кг азота на гектар за месяц, в варианте с чистой культурой в незасоленной почве 0,38 кг и в засоленной — 0,35 кг азота на гектар за месяц, т. е. только одни сульфатредуцирующие бактерии связывали около 9% азота из общего азота гетеротрофной азотфиксации в нестерильной почве. Следовательно, данная физиологическая группа играет определенную роль в азотном режиме затопленной почвы.

 

Заключение

 

Изучена экология сахаролитических, протеолитических и пури- нолитических анаэробных бактерий рода Clostridium и сульфатредуцирующих анаэробов родов Desulfovibrio и Desulfotomaculum, их деятельность и изменчивость при существовании в разных почвенно- климатических условиях.

 

Ареалы оптимального размножения для разных видов анаэробов не одинаковы, и группировки доминантных видов анаэробных бактерий различны для почв разных климатических зон. Так, сахаролити- ческие анаэробы преобладают в северных, а протеолитические, пури- нолитические и сульфатредуцирующие анаэробные бактерии — в южных почвах.

 

Показано изменение физиолого-биохимических особенностей анаэробных бактерий в зависимости от почвенно-климатических ус

ловий (в продуктах сбраживания глюкозы и стелков, величине азот- фиксирующей и протеолитической активности и др.).

 

Интенсивность роста анаэробных бактерий .меняется в зависимости от географических условий их местообитания; отмечена температурная адаптация к условиям климата.

 

Изученные анаэробные бактерии осуществляют в почве фиксацию молекулярного азота атмосферы, трансформацию белков, пури- новых и пиримидиновых оснований, редукцию соединений серы. Установлено, что наиболее высокий уровень связывания азота атмосферы сахаролитическими анаэробами наблюдается в северных, наименьший — в южных почвах. Выявлена фиксация атмосферного азота сульфатредуцирующими бактериями в затопленных почвах.

 

Трансформация белков протеолитическими анаэробами, пурино- вых и пиримидиновых оснований — пуринолитическими бактериями наиболее интенсивно осуществляется в южных почвах.

 

Показано, что сульфатредуцирующие анаэробы являются основными продуцентами сероводорода и сульфидов в почвах. Особенно активно процесс сульфатредукции идет в затопленной почве. Определена роль указанных анаэробов в процессе содообразования в почве в условиях анаэробиоза.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

Баркер X. Брожение азотистых органических соединений.— В кн.: Метаболизм

бактерий. М.: Изд-во иностр. лит., 1969, с. 186—199. Горова А. К., Емцев В. Т. Распространение протеолитических анаэробных бактерий рода Clostridium в зональных почвах.—Изв. ТСХА, 1978, вып. 5, с. 124—131.

Емцев В. Т. хМетоды количественного учета различных видов масляиокислых и ацетонобутиловых бактерий в почве.— Докл. ТСХА, 1965, вып. 109, с. 123— 130.

Емцев В. Т. Почвенные анаэробные азотфиксаторы рода Clostridium.— Успехи

микробиологии, 1974, вып. 9, с. 15;}—182. Емцев В. Т. Ассоциации анаэробных бактерий почв различных типов.-— В кн.: Микробные сообщества и их функционирование в почве. Киев: Наук, думка, 1981, с. 23-30.

Емцев В. Т., Бабайцева Z?. А. Распространение анаэробных бактерий рода Clostridium, трансформирующих пуриновые и пиримидиновые соединения в почвах Советского Союза.— Изв. ТСХА, 1978, вып. 2, с. 124—132. Емцев В. Т., Мухаметдинова А К. Свойства протеолитических Clostridium, выделенных из почв разных типов.— Изв. ТСХА, 1981, вып. 4, с. 81—89. Емцев В. Т., Сидоренко О. Д. Смена анаэробной микрофлоры в процессе разложения органических веществ в дерново-подзолпстой почве.— Изв. ТСХА, 1968, вып. 2, с. 119—128. Емцев В. Т., Сидоренко О. Д., Лимарь Т. Е. Экология сульфатредуцирующих бактерий затопленных почв.— В кн.: Микроорганизмы как компонент биогеоценоза. Алма-Ата, 1982, с. 225—226. Лимарь Т. Е. Методы учета сульфатредуцирующих бактерий и их распространение в различных почвах.—Докл. ТСХА, 1980, вып. 258, с. 102—106. Лимарь Т. Е. Сульфатредуцирующие бактерии и их роль в почвах рисовых полей: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М.: ТСХА, 1982. 18 с. Лимарь Т. E.f Сидоренко О. Д. Распространение сульфатредуцирующих бактерий в почве, ризосфере и ризонлане риса.— Изв. ТСХА, 1980, вып. 6, с. 106— 109.

Мишустин.Е. Н., Емцев В. Т. Почвенные азотфиксирующие бактерии рода Clostridium. М.: Наука, 1974. 248 с.

Минашина Я. Г., Гаврилова Т. К. О сульфатредукции в почвах и подщелачивают почвенных растворов.— Бюл. Почв, ин-та им. Докучаева ВАСХНИЛ, 1975 вып. 9, с. 48—65.

Мухаметдинова Л. К., Емцев В. Т. Трансформация различных белоксодержащих субстратов протеолитическими анаэробами родами Clostridium.—Изв. ТСХ V 1981, вып. 6, с. 96-102.

Назина Т. Я., Розанова Е. П., К алининекая Т. А. Фиксация молекулярного азота сульфатвосстанавливающими бактериями из нефтяных слоев.— Микробиология, 1979, т. 48, вып. 1, с. 133—136.

Панников Я. С. Нуклеиновые кислоты почв и их превращение микроорганизмами: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М.: МГУ, 1970. 2\ с.

De Ley Т. Comparative biochemistry and taxonomy of bacteria.— Rev. ferment, et industr. alim., 1964, vol. 17, p. 183—185.

Dalton Я. Fixation of nitrogen by free living microorganisms.— Crit. Rev. Microbiol., 1974. vol. 3, p. 183-220.

Bergey's manual of determinative bacteriology. 8ed. Baltimore, 1974, p. 551—572.

Emtsev V. T. Proteolitic bacteria of the genus Clostridium, their ecological variability and role in anaerobic transformation of proteins in different soils.— In: Abstrs volunt. pap.: 12th Intern. Congr. of Soil science. i\ew Delhi, India, 8—16 Febr. 1982. New Delhi, 1982, p. 49-50.

Pasteur JJ. Animalcules infusories vivant sans gaz oxygene libre et determinant des fermentations.— C. r. Acad, sci., P., 1861, vol. 86, p. 1037.

 

Анаэробные почвенные бактерии

 

Анаэробные почвенные бактерии

 

К содержанию книги: Почвенные организмы как компоненты биогеоценоза