Вся электронная библиотека      Поиск по сайту

 

Виноградский. МИКРОБИОЛОГИЯ ПОЧВЫ

О РАЗРУШЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В ПОЧВЕ

 

С.Н. Виноградский

С.Н. Виноградский

 

Смотрите также:

 

Биография Виноградского

 

Микробиология

 

Почва и почвообразование

 

Почвоведение. Типы почв

 

растения

 

Геоботаника

 

 Биографии биологов, почвоведов

Биографии почвоведов

 

Эволюция

 

Биология

 

Эволюция биосферы

 

Геология

геология

Основы геологии

 

Геолог Ферсман

 

Геохимия - химия земли

 

Гидрогеохимия. Химия воды

 

Минералогия

минералы

 

Химия почвы

 

Круговорот атомов в природе

 

Книги Докучаева

докучаев

 

Происхождение жизни

 

Вернадский. Биосфера

биосфера

 

ОБ АЭРОБНОМ РАЗЛОЖЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ БАКТЕРИЯМИ. НОВЫЕ РАБОТЫ

 

Проблеме аэробного разложения целлюлозы бактериями, значение которой недооценивалось в течение долгих лет, теперь посвящены обширные исследования. Вслед за нашими заметками и нашей статьей 1929 г. в разных странах почти одновременно появились работы, перечисленные выше. Они дали много сведений, которые теперь надо согласовать, тем более, что методы работы были совершенно различны и были расхождения в идеях, которые руководили исследованиями.

 

Предполагая, что первая приведенная в списке работа известна в общих чертах, мы сравним ее результаты с данными, полученными позже, чтобы, если возможно, составить общее представление об этой важной группе аэробных бактерий, разрушителей целлюлозы.

 

Напомним, что в общем все согласны с тем, что вид, открытый Гэтчин- соном и Клэйтоном в 1919 г. и названный Spirochaeta cytophaga, является наиболее активным разрушителем целлюлозы волокон в природе. Строго специфичный, этот вид размножается только за счет целлюлозы волокон. Он не использует гексоз, пентоз, крахмала, декстринов, поливалентных спиртов, органических кислот. Более того, редуцирующие сахара, именно глюкоза, которая, как известно, является основным продуктом гидролиза целлюлозы, в чрезвычайно малой дозе отчетливо действует на развитие угнетающим образом. Эти результаты подтверждаются нашими исследованиями и работами Ваксмана, которые показали, что речь идет об очень распространенной группе бактерий.

 

Что касается морфологии, то наблюдения английских авторов представляются нам спорными. Короткие клетки Cytophaga, очень тонкие, заостренные, изогнутые под углом, только в виде исключения представляются спирально изогнутыми; у них не обнаружена подвижность, вообще они не обладают никакими настоящими признаками спирохет,— это явилось для нас основанием назвать эту очень специфическую как по морфологии, так и по функции группу родовым названием Cytophaga. Цикл развития вызывал и продолжает вызывать наибольшие противоречия.

 

По данным английских авторов, вегетативная форма в виде короткой тонкой клетки с заостренными концами переходит через ряд промежуточных форм в округлую, кокковидную покоящуюся стадию, названную «спо- роидами». Клетки утолщаются, укорачиваются и превращаются в эллипс, а затем в шар На этой стадии спороид имеет расплывчатые очертания и не окрашивается; это не более, чем «тень». Эта стадия «теней» бывает лишь переходной, так как «спороид», столь бледный сначала, далее обогащается красящимся веществом и выглядит как настоящий, довольно крупный кокк. Он прорастает, давая вегетативную форму.

 

Этот цикл развития, взятый нами под сомнение, был вновь исследован Кржеменевской. Для лучшего изучения хода морфологических изменений Cytophaga Гэтчинсона, выделенная согласно нашей методике, культивировалась на прозрачных пленках целлофана, что улучшило способ изучения этих существ. Несмотря ни на что, это улучшение не позволило проследить развитие шаг за шагом на живом материале, из-за исключительной трудности изучения последнего. Раз дело идет о разные формах, которые хотят соединить в единый цикл развития, то не остается ничего другого, как искать промежуточные формы, чтобы составить полный цикл.

 

Надо отдать справедливость автору, предлагаемый цикл тщательно описан, с большим количеством цитологических деталей. Сотни рисунков и таблица фотографий иллюстрируют все стадии превращения со всей возможной полнотой. В заключение автор подтверждает данные работы Виноградского, дополняя их: спороиды— это образования, аналогичные микроцистам миксобактерий; при прорастании они дают вегетативные формы.

 

Выводы, подсказанные автору его работами по щшсобактериям, встречают три возражения:

1.         Если эти две формы являются стадиями развития одного и того же организма, то наряду с маленькими нитевидными клетками Cytophaga в культуре должны постоянно обнаруживаться кокковидные микроцисты. Однако мы легко получали культуры этих микробов, в которых не было кокковой стадии, и эти культуры служили для наших опытов.

2.         Обычное состояние, которым заканчиваются все культуры всех видов Cytophaga, напоминает спороиды или микроцисты только своей формой, и то не вполне: это округлые тельца, но часто вытянутые, грушевидные, или даже угловатые, различных размеров, с неясными контурами, не окрашивающиеся и, следовательно, лишенные хроматина, короче говоря — это «тени» по выражению английских авторов. Они особенно, где представлены старые культуры желтой и оранжевой Cytophaga, которые можно считать чистыми. Мы рекомендуем эту таблицу вниманию автора. Здесь он найдет большой выбор этих коккоидов, из которых очень немногие содержат хроматиновое зернышко, а у остальных нет и следа его. В общем, создается впечатление,что мы имеем дело с лизисом, с дезорганизованными остатками клеток. Если автор предположит, что это пустые оболочки, покинутые так называемыми микроцистами после их прорастания, то этому противоречит возраст культуры. Никакого прорастания не могло быть в этих истощенных, окончивших развитие культурах. Это именно тот период, когда микроцисты, если они реально существуют, должны были бы быть целыми, оправдывая свое значение стадий покоя, сохранения. Однако мы не видим ничего, чему можно было бы приписать эту роль.

3. Если автор взглянет еще на фиг. 7 на той же табл. XXIII, он увидит настоящего стрептококка. С другой стороны, на табл. III работы Гэтчинсона представлен совершенно такой же организм, но под названием с п о р о и д. В особенности на фиг. 4 этой таблицы и на фиг. 7 табл. XXIII сходство этих четко «делящихся» кокков столь полное, что идентичность их кажется несомненной. Эти картины различаются только тем, что в английской работе стрептококк в смеси с Cytophaga, а на фиг. 7 табл. XXIII он в чистом виде, и представлен при увеличении 1800 раз вместо

юоо.

Не следует ли заключить, что культуры Гэтчинсона действительно €одержали кокка, упорного спутника Cytophaga, в смеси с автолизирован- ными клетками последней? Во всяком случае автор должен согласиться, что это не микроциста, раз она размножается как стрептококк, вместо того -чтобы прорастать.

В заключение следует сказать, что сомнения о морфологическом характере Cytophaga не легко устранить путем цитологического исследования, каким бы тщательным оно ни было.

Вопрос о том, какова стадия покоя и сохранения у Cytophaga, пока остается открытым. Мы склонны приписать эту роль интенсивно охрашиваю- щимся зернышкам, которые всегда остаются после автолиза клеток. Как уже упоминалось, мы их находим включенными в коккообразные остатки лвтолизированных клеток или прилипшими к ним.

Вторая работа, посвященная морфологии, работа Бокора, к которой мы переходим, содержит совершенно другие наблюдения. Предметом его исследований явился организм, который он назвал Mycococcus cytophaga, но который он считает идентичным микробу Гэтчинсона. Никто не познает его истинной природы —таков основной тезис этой работы. Это актиномицет, с еще не известным для этого семейства способом спорообразования.

 

Цикл его развития включает много фаз или стадий:

1.         Мицелий, состоящий из нитей, очень тонкий, мало ветвящийся.

2.         Мицелий, претерпевающий полную фрагментацию и делящийся на короткие кусочки, изредка разветвленные.

3.         Палочки заостренные и совершенно сходные с классической Cytophaga.

4.         Спорообразование этих палочек, начинающееся с возникновения гранул в виде цепочки в количестве до шести, которые превращаются в споры (эндоспоры).

5.         Свободные гранулы, играющие роль спор, несмотря на свою легкую окрашиваемость и отсутствие резистентности; прорастая, они дают тонкии мицелий. Стадия мицелия является самой короткой из всех, и поэтому ее до сих пор не замечали.

 

Является ли принадлежность этого организма к актиномицетам несомненной? Эта первая стадия не может быть настолько мимолетной, чтобы ее пропустили все остальные исследователи, в особенности если они прослеживали развитие с самых первых моментов, как мы это делали столько раз. Кроме того, невозможно представить себе, каким образом мицелии, с радиальной структурой и с редким ветвлением под прямым углом, как это описано и изображено, может одевать волокна клетчатки сплошным чехлом пз правильно расположенных клеток, как мы это уже описывали и изображали, без того, чтобы клетки размножались делением, сопровождаемым еще ползущим движением. Абсурдно приписывать фрагментам мицелия актиномицетов подобные свойства. Наиболее вероятное объяснение заключается в том, что автор имел дело со смесью двух организмов, Cytophaga и актиномицета, из которой он сделал один полиморфный вид. Несомненно, автор приложил много усилий, чтобы получить чистую культуру, но при работе с этими организмами самые большие усилия часто остаются тщетными. Так как у нас нет верного критерия, чтобы судить о чистоте культуры, утверждение автора, что он ее достиг, есть только его мнение, которое может соответствовать, а может и не соответствовать действительности. Только постоянная однородность микроскопической картины является аргументом в пользу чистоты культуры, в особенности, если не удалось установить макроскопические признаки. Но в случае, когда наблюдатель видит различные формы, генетические отношения которых нельзя определить путем наблюдения над живым материалом или исходя из одной клетки, то от его желания зависит рассматривать их как самостоятельные формы или объединить их в цикл развития одного вида.

 

В общем, не отрицая актиномицетной природы микроба, выделенного Бокором из лесных почв, мы можем принять его выводы только при условии проверки.

Есть один пункт, где его ошибка обнаружилась,— это когда он утверждает, что вид, выделенный им, идентичен с тем, который изучали Гэтчин- сон, мы и Ваксман. К счастью этот вид обладает достаточно характерными макроскопическими признаками, чтобы его можно было легко отличить; желтая окраска колоний на клетчатке, лизис волокон с первых же моментов развития культуры, превращение клетчатки в желтое прозрачное желе. Несмотря на неполноту макроскопической характеристики так называемого Mycococcus, единственного упоминания об образовании им буро-оранжевого пигмента уже достаточно, чтобы доказать, что дело идет о другом виде, так как никогда в течение ряда лет^ пока мы наблюдали этот микроб, он не образовывал слизи иного цвет^, нем яично-желтый. Микроскопическая картина только на фиг. 5 совпадает с тем, что нам дает наша культ\гра Cytophaga. Все остальные рисунки автора, за исключением, быть может, фиг. 8 и 9, которые воспроизводят только гранулы, совершенно отличны. Если еще добавить разницу в местообитании,— автор занимался исключительно лесными почвами, в то время как остальные исследователи исключительно пахотными,— то можно заключить, что идентичность с микробом Гэтчинсона не доказана и даже неправдоподобна.

 

Переходя к работам Калнинс и Симола, прежде всего поставим вопрос об определении тех биохимических признаков, которыми должна обладать бактерия, чтобы она могла быть отнесена к возбудителям разрушения целлюлозы. Вопрос казался бы праздным, если бы дело шло лишь о разрушении определенного количества бумаги в лабораторной колбе. Однако таким заключением, единственно неопровержимым, так как оно прямо выражает наблюдаемые факты, не довольствуются, а считают возможным возвести вновь выделенный микроб в ранг разрушителей целлюлозы в природе. Надо дать себе отчет в том, что такое заключение может быть правильным без других данных только в случае строгой специфичности, как у Cytophaga: этот микроб может воздействовать только на целлюлозу, и поэтому не может быть речи о другой роли в природе. Вопрос усложняется, если микроб менее специфичен, и становится очень сложным по мере удлинения списка используемых веществ. В данном случае мы имели перед собой микроба, способного использовать большое количество веществ (из которых некоторые никогда не встречаются в природе!). Как бы ни были обширны опыты с чистыми культурами, они никогда не могут открыть нам роль микроба в природе, так как вне лабораторной колбы основную роль играет предпочтительная функция, делающая микроб способным противостоять той огромной конкуренции, которую он там встречает.

 

Подобное же недоразумение имеет место и с видами, выделенными Келлерманом с сотрудниками (1912—1915). Им приписана роль возбудителей разрушения целлюлозы в природе, роль, которую они не в состоянии выполнять, так как их воздействие на целлюлозу слабое и медленное и они предпочитают сахар и крахмал. Мы находим это же недоразумение в работах, к которым мы переходим, в которых был применен старый метод Келлермана и Скэльса, основанный на использовании целлюлозного агара, что дает неудовлетворительные результаты с точки зрения выделения аэробных бактерий, специфичных и активных.

 

Тем не менее работа Калнинс дает интересные наблюдения над группой микробов, воздействующих на сахара и полисахариды, способных также воздействовать и на волокна клетчатки. Они составляют довольно однородную группу, если исключить спороносные бактерии: это подвижные вибрионы, монотрихи, напоминающие по форме Cellvibrio, исследованных нами. Автор изучил 48 штаммов, которые он относит к 17 видам.

 

По физиологическим свойствам они также сходны. Отметим:

1)        они используют следующие сахара и полисахариды: глюкозу, леву- лозу, мальтозу, лактозу, сахарозу, декстрин, крахмал, инулин, арабинозу и ксилозу; по отношению к пентозам и инулину существуют некоторые исключения;

2)        глюкозу они явно предпочитают целлюлозе, так как она предохраняет последнюю;

3)        со всеми растворимыми сахарами замечается легкое снижение рН, но образуется лишь незначительное количество кислот;

4)        с целлюлозой изменение рН обусловлено только источником азота — нитратом или аммонием;

5)        белки без углеводов являются плохим источником энергии; только некоторые штаммы обнаруживают слабое развитие;

6)        в качестве источника азота наилучшими являются минеральные соли, в особенности нитрат, который повышает рН;

7)        количество разложенной целлюлозы у всех видов, за исключением одного, довольно небольшое: максимум 30% за 20 дней, с нитратом в качестве источника азота;

8)        у некоторых штаммов отмечается образование желтой слизи или пигментов: желто-коричневого, коричневого или синего.

 

Добавим, что автору удалось обнаружить присутствие глюкозы во всех культурах с полосками фильтровальной бумаги, погруженными в солевой раствор. При свободном доступе воздуха эта глюкоза исчезает так быстро что ее трудно обнаружить. Чтобы блокировать промежуточные продукты, проще всего закупорить и запарафинировать колбы с культурой: в этом случае количество восстанавливающих Сахаров становится измеримым. Следует отметить, что количество разложенных волокон выше в том случае, когда колбы не заткнуты, и достигает 70% с наиболее активным из видов. Это указывает на то, что все эти микробы не являются такими строгими аэробами, как Cytophaga или Cellvibrio; они выносят или даже может быть предпочитают пониженное давление кислорода, являясь своего рода мезо-аэробами.

 

Диссертация Симола, вышедшая в двух выпусках, составляющих вместе 200 страниц, посвящепа двум споровым бактериям, которые он выделил и назвал В. myxogenes и В. mucosus. Этот тип бацилл с клостри- диальным спороношением, аэробных, но выносящих уменьшенный доступ кислорода, полифагов в чистой культуре, еще мало известен. Автор дает достаточно полное исследование.

Резюмируем данные автора, касающиеся биохимической активности и метаболизма микробов:

1)        различные пентозы, гексозы, полисахариды были испытаны с положительным результатом: арабиноза, ксилоза, глюкоза, манноза, галактоза, фруктоза, сахароза, лактоза, мальтоза, целлобиоза, рафиноза, крахмал и целлюлоза; судя по быстроте разрушения, наиболее благоприятными являются крахмал и декстрин;

2)        рамноза, инулин, поливалентные спирты, органические кислоты, кроме глюконовой — не используются;

3)        на белковых средах, как единственных источниках энергии, развитие очень слабое;

4)        наилучшим источником азота является минеральный азот в форме нитратов и аммонийных солей; пептон и мясной экстракт в небольших количествах благоприятствуют развитию;

5)        что касается способности разлагать целлюлозу, то об этом трудно себе составить точное представление; автор приводит лишь относительные цифры в зависимости от состава солевого раствора, источника азота и т. д.; можно лишь сказать что эта способность значительно слабее у В. mucosus по сравнению с В. myxogenes\ первый теряет способность разрушать бумагу в минеральном растворе после культивирования на обычных бактериологических средах в течение некоторого времени;

6)        при культивировании на жидкой среде с глюкозой брожения не наблюдается,— образуется муть и через два дня плотная пленка на поверхности, а жидкость просветляется.

Промежуточные продукты разрушения целлюлозы и энзиматический аппарат были предметом многих опытов. Вот схема: после того как известное количество бумаги было подвергнуто воздействию микробов в большом количестве жидкости, бумажную массу отжимают!, тщательно промывают дистиллированной водой и ставят в термостат в дистиллированной воде на несколько дней, добавив соответствующее количество толуола. В воде, в которую погружена бумага, покрытая бактериями, обнаруживается нередуцирующий сахар, который имеет свойства 'целлобиозы, и небольшая примесь глюкозы.

 

Чтобы обнаружить энзимы, автор пользовался водой, в которой вымачивал бумагу после воздействия бактерий, отфильтровав ее от остатков бумаги и бактериальных тел через свечу Беркефельда. Воздействуя этой водой на аморфный осадок целлюлозы или даже на волокна, он получил восстановительный эффект, который заставил его сделать заключение о наличии целлобиазы. Повторяя эти опыты с целлобиозой вместо волокон, он также обнаружил восстановление, которое тоже объяснял действием целлобиазы.

 

Показав таким образом гидролизующее действие на волокна с образованием глюкозы как промежуточного продукта, автор сосредоточил свое внимание на углубленном исследовании конечных продуктов распада последней. Из них углекислота составляет более половины (69% от использованной глюкозы, 50% от целлюлозы); наоборот, выход жирнйх летучих кислот невелик: около 3—10%; следы спирта не превышают 1%.

 

Заканчивая наш обзор, мы можем заключить, что многие аэробные бактерии, развивающиеся за счет сахара, крахмала и декстринов, в большей или меньшей степени способны гидролизовать волокнистую целлюлозу. Но следует ли относить их в функциональную группу микроорганизмов, специально приспособленных к разложению этого вещества, которые не только не используют сахара, но и проявляют к ним исключительную чувствительность, в особенности к редуцирующим сахарам? Кроме того, не настало ли время провести разграничение между реальными, естественными функциями и искусственными, лабораторными, которые проявляются только в чистой культуре?

 

С этой точки зрения способность к разрушению целлюлозы и скорость поражения волокон у Cytophaga и Cellvibrio не оставляют никакого сомнения в том, что они являются возбудителями разрушения целлюлозы в природе. Более того, наблюдения над самопроизвольными культурами ясно показывают, что их деятельность вместе с деятельностью грибов обусловливает разрушение всех целлюлозных веществ, попадающих в почву.

 

Роль в этом процессе бактерий Калнинса и Симола не видна. Если это целлюлозные бактерии, как того хочет последний автор, то это относится только к лабораторной колбе.

 

Тем не менее данные этих авторов заслуживают внимания в том смысле, что они выявляют различие между облигатными возбудителями разрушения целлюлозы, о которых мы упомянули, и факультативными или искусственными. С одной стороны, мы видим интенсивный процесс окисления, идущий в строго аэробных условиях без образования кислот или спиртов, с другой — гидролиз, образование редуцирующих Сахаров, менее строгий аэробиоз (возможно, переходящий во временный анаэробиоз), постоянное, хотя и не обильное образование жирных кислот и спиртов.

 

Будущие исследования покажут, сохранится ли полностью предложенная характеристика. Во всяком случае желательно, чтобы она не осталась без внимания при исследовании разрушения целлюлозы в почве.

 

 

 

К содержанию книги: Сергей Николаевич ВИНОГРАДСКИЙ - МИКРОБИОЛОГИЯ ПОЧВЫ. ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ

 

 

Последние добавления:

 

Ферсман. Химия Земли и Космоса

 

Перельман. Биокосные системы Земли

 

БИОЛОГИЯ ПОЧВ

 

Вильямс. Травопольная система земледелия

 

История русского почвоведения

 

Качинский - Жизнь и свойства почвы

 

Вернадский - ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО