 |
|
|
БИОЛОГИЯ ПОЧВ |
АКТИВНОСТЬ АДГЕЗИРОВАННЫХ КЛЕТОК
|
Смотрите также:
Мейен - Из истории растительных династий
Биографии биологов, почвоведов
|
Адгезированные клетки находятся в специфической микрозоне, образующейся на границе раздела жидкости и твердого тела, где адсорбируется большинство полимерных органических веществ в том числе и гумус, происходит адсорбция гидролитических ферментов. Поскольку большинство почвенных частиц заряжены отрицательно, здесь концентрируются положительно заряженные органические мономеры, повышается концентрация адсорбированных катионов (К, NH4 Са, Mg, Н), уменьшается концентрация неорганических и органических анионов (95). Активность адгезированных клеток по сравнению со свободными часто резко изменяется. Она может быть больше или меньше, чем у свободных в зависимости от того, окажутся ли условия в микрозоне на поверхности раздела более или менее благоприятными, чем в почвенном растворе. Обычно эта микрозона более благоприятная, так как адсорбированные гидролазы осуществляют гидролиз полимеров и появляются легкодоступные мономеры (сахара, аминокислоты, органические кислоты, спирты). Микробы лучше обеспечены минеральными питательными веществами в том числе фосфором и железом, которые также осаждаются на поверхности частиц. Автотрофные нитрификаторы используют преимущественно адсорбированный аммоний.
Однако на поверхности раздела жидкой и твердой фаз могут концентрироваться и токсичные вещества, такие как тяжелые металлы, антибиотики. Здесь может быть меньше отрицательно заряженных органических кислот или аминокислот и тогда адгезированные микробы будут развиваться хуже. На поверхности раздела отрицательно заряженных частиц в кислых почвах будет более низкое рН из-за высокой концентрации ионов водорода, что также будет оказывать влияние на развитие микробов. Почвенные биохимики предложили молекулярный рН-метр для измерения рН на поверхности твердых частиц. На поверхности частицы адсорбируют фермент и затем определяют оптимальное рН для проявления его максимальной активности (96). Это осуществляется следующим образом.
Находят оптимум рН действия фермента для двух растворов. В одном растворе фермент находится в свободном, в другом — в адсорбированном состоянии. Для адсорбированного фермента наблюдается «кажущийся» сдвиг в щелочную область. Он может достигать единицы рН и более. В действительности никакого сдвига рН-опти- мума для адсорбированного фермента не происходит. Просто он находится в зоне с более низкими значениями рН. Доказано, что в этой зоне происходит изменение и концентрации, и активности ионов водорода. С помощью ферментов можно определять рН в микрозонах. Изменение рН на поверхности влияет не только на активность фермента, но и на активность адгезированных клеток. Ферменты могут адсорбироваться различным образом (97). Фермент представляет собой белковую глобулу с активным центром, к которому подходит субстрат. Глобула имеет положительно и отрицательно заряженные, гидрофильные и гидрофобные участки.
Поэтому на разных почвенных частицах адсорбция проходит разными сторонами. Если закрывается активный центр, фермент теряет активность. Обычно при адсорбции изменяется конфор- мация (конфигурация) молекулы, что ведет к изменению активности фермента, но он становится более устойчивым к воздействию неблагоприятных факторов (высушивание, хранение, температурные воздействия и др.). Фермент может быть закрыт органоминеральным гелем или может попасть в межплоскостные пространства минералов типа монтмориллонита. Все это будет отражаться на его активности. Молекула субстрата может быть очень маленькой (Н202) или очень крупной, например, белковая молекула для протеазы (на рисунке обозначена черными кружками).
Адсорбированные (иммобилизованные) ферменты в последние 30 лет широко применяются в биотехнологии. Однако, как обнаружилось, природа использует эти механизмы уже миллиарды лет.
В настоящее время хорошо изучено влияние адсорбентов на различные типы брожений, на азотфиксацию, нитрификацию, использование кислых и основных аминокислот, окисление метана, водорода, использование некоторых углеводородов. Наиболее сильно влияние твердых частиц проявляется в разбавленных растворах, каковым, в частности, обычно является почвенный раствор. Здесь микроорганизмы часто не могут развиваться в растворе из-за низкой концентрации питательных веществ, но на поверхности частиц они развиваются, так как здесь концентрация питания оказывается гораздо больше. Это явление было подробно изучено водными микробиологами для олиготрофных водоемов (см. 95). Влияние адсорбента может оказывать различный и даже прямо противоположный эффект в зависимости от взаимного расположения частиц адсорбента и клеток (98). В случае а на клетки будет оказывать влияние специфика поверхности раздела жидкости и твердого тела. В случае 6 адсорбент не будет оказывать непосредственного действия на клетки. В случае в клетки покрываются чехлом из коллоидных частиц гумуса или глинистых минералов и их окружение, влияющее на жизнедеятельность, будет особым. Четвертый случай г представляет собой заключение клеток внутри конгломерата из частиц. Часто активность клеток в таких условиях вообще невозможна.
Активность будет зависеть от плотности контакта с частицами (). Показано 10случаев более или менее плотного контакта клетки бактерии с почвенной частицей, покрытой пленкой из органического или минерального геля: от полного удаления от частицы до расположения на поверхности геля, внутри геля или на поверхности минеральной частицы. Поверхность минеральной частицы показана на рисунке черной линией, а органоминеральный слой окрашен в серый цвет. Клетки со стебельком, жгутиками, фимбриями, с капсулой или без нее будут располагаться в разных по свойствам микрозонах. Особое положение занимают клетки, погруженные в органоминеральный гель (собственно иммобилизованные клетки). Во многих случаях они вообще не могут делиться. Ясно, что в каждом случае микросреда для развития клетки будет разной, а клетка всегда развивается в микросреде.
Эффективный способ борьбы с прикрепившимися фитопатогенными микроорганизмами имеется у растительных и животных организмов. Если клетки прикрепились и нет возможности от них избавиться, корень или другой орган растения или животного сбрасывает клетки своего эпителия и таким образом освобождается от вредных микроорганизмов (100).
Жидкая фаза почвы (почвенный раствор) обычно располагается в капиллярах или образует пленки разной толщины. Капилляры и пленки могут быть значительно толще или тоньше клеток микроорганизмов (101). Сравнительно редко после дождей, полива или подъема уровня фунтовых вод в почве появляются большие объемы воды, которые движутся под действием сил гравитации. Для жидкой фазы почвы характерна микрозональность в отношении содержания газов, органических веществ, рН, Eh и др. На протяжении некоторого времени микрозоны могут различаться и по потенциалу влаги. Он может быть различным в течение долгого времени в разных почвенных горизонтах.
Жидкая фаза почвы всегда содержит некоторое количество минеральных, органических и органоминеральных веществ в молекулярном или коллоидном состоянии, а также растворенные газы. Однако концентрация питательных веществ в почвенном растворе обычно очень мала, и развитие микроорганизмов в объеме почвенного раствора происходит сравнительно редко. Они развиваются в адгезированном состоянии. Таким образом, главная функция почвенного раствора заключается в переносе веществ и обеспечении микроорганизмов водой. Снабжение питательными веществами обычно проходит два этапа: 1) перенос питательных веществ с почвенным раствором на твердую поверхность и концентрирование на ней, 2) использование адсорбированных веществ адгезированными микробными клетками.
Почвенный раствор в сотни и тысячи раз менее концентрирован по сравнению с обычно применяемыми микробиологическими питательными средами, например средой Чапека, мясо-пептон- ным бульоном или крахмало-аммиачной средой. Отсюда возникла идея о необходимости применения при культивировании почвенных микроорганизмов очень разбавленных питательных сред, особенно в тех случаях, когда исследователь хочет приблизиться к воссозданию естественной обстановки. В этих условиях удается выделять и изучать олиготрофы. Микроорганизмы успешно развиваются в разбавленных питательных растворах и здесь их вырастает гораздо больше, чем на богатых средах. Так, на разбавленном в 10 раз мясо-пептонном агаре вырастает в 5-10 раз больше колоний, чем на исходном, на агаризованной воде — еще больше, но их уже нужно подсчитывать через месяц, а не через три дня, как на МПА и рассматривать в бинокулярную лупу, так как колонии очень малы.
Трудность изучения состоит в том, что они растут очень медленно и экспериментатор должен затратить длительное время. Необходимо также иметь в виду, что в отдельных микрозонах и в естественной почве могут создаваться высокие концентрации растворенных и нерастворенных органических питательных веществ. Примером микрозон первого типа может служить ризоплана с непрерывным поступлением большого количества корневых выделений, а примером микрозон второго типа— отмерший корешок растения или погибший дождевой червь.
|
|
К содержанию книги: Почвоведение - биология почвы
|
Последние добавления:
Происхождение и эволюция растений
Биографии ботаников, биологов, медиков
Книги по русской истории Император Пётр Первый