Вся электронная библиотека      Поиск по сайту

 

Виноградский. МИКРОБИОЛОГИЯ ПОЧВЫ

МЕТОДЫ ПОЧВЕННОЙ МИКРОБИОЛОГИИ

 

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

 

КРИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ВЫДВИНУТЫХ ПРОБЛЕМ И МЕТОДОВ

 

Мы далеки от мысли дать здесь даже самый сжатый исторический обзор развития почвенной микробиологии. Мы намереваемся только проследить в главных чертах исследования, касающиеся основных проблем, преимущественно с точки зрения методов, чтобы иметь возможность судить, являются ли эти методы4 удовлетворительными для разрешения поставленных вопросов или же надо искать более действительных.

 

Мы предполагаем, что эти проблемы, равно как и главные результаты, общеизвестны; их можно найти во всех книгах по сельскохозяйственной микробиологии за ряд последних лет, и потому мы не будем цитировать относящуюся сюда старую литературу, а будем рассматривать все исследования как коллективный труд.

 

Мы уже указывали, что в этом труде ясно наметились два направления изысканий. С одной стороны, микробиология sensu stricto, т. е. изучение микробных видов, выделенных из почвы; с другой,— изучение химических процессов, происходящих под влиянием микробов, в самой почве, т. е. биохимия почвы. Оба направления шли часто параллельно, но отнюдь не смешивались ввиду различия их методов. Ни то, ни другое не опиралось на завершенный круг опытов. Первое, исследуя микробы в определенных и очень разнообразных условиях искусственных культур, только мысленно, если можно так выразиться, следило за их жизнедеятельностью в естественной среде. Второе занималось только конечными результатами химических процессов в почве, не экспериментируя с возбудителями, на которых, как оно предполагало, указывала ей микробиология. Результаты, следовательно, могли быть получены только путем сравнения данных этих двух категорий; они не опираются на прямые опыты; они являются, собственно, только гипотетическими выводами, степепь доказательности которых крайне различна.

 

Нельзя все-таки отрицать, что подобное соединение двух, до известной степени дополняющих друг друга методов, дало прекрасные плоды,, выделив из общей неопределенной массы микробных процессов в почве, несколько крупных общих явлений, фигурирующих с тех нор в почвенной микробиологии в качестве центральных проблем.

 

Нитрификация

 

Со стороны микробиологии сотрудничество началось, как известно, с исследований по нитрификации, которую так много изучали агрохимики, уже объясняя ее биологическими причинами, но не зная её микробных возбудителей. Микробиолог изолировал их из почвы; он воспроизвел процесс в чистой культуре; он дополнил сведения, полученные агрохимией, доказав, что окисление аммиака является двойным процессом, состоящим из двух автономных процессов — окисления в нитриты и окисления в нитраты, из которых каждый вызывается точно определенным специфическим возбудителем; он доказал также, что нитрификация органического аз от а, как понимают ее химики, есть только конечный результат нескольких наслаивающихся один на другой процессов, что разложение азотистого органического соединения с образованием аммиака или аммонификация не зависит от жизнедеятельности нитрифицирующих микробов; что последние питаются исключительно за счет минеральных веществ, не оказывая действия на органические; что органические соединения даже в слабых дозах действуют на. них парализующе.

 

Следовало ли отождествлять этих выделенных на лабораторных средах микробов с нитрификаторами, развивающимися в почве?

 

Несмотря на то, что некоторые их признаки, и довольно важные, явились для агрохимиков неожиданными, сомнений на этот счет не возникло ни у кого. Их специальные функции, их столь резко выраженные свойства определяли им совершенно особое место среди микробов; более того, других возбудителей с той же функцией открыть не удавалось; наконец, различия, наблюдавшиеся между чистой культурой и почвой, а именно отсутствие в последней фазы окисления до нитритов и отсутствие задерживающего действия органических соединений, легко объяснялись разницей в биологических условиях среды. Тождество было единогласно признано и в дальнейшем не оспаривалось.

 

Подобное начало возбудило, естественно, большие надежды относительно роли, которую общая микробиология может сыграть при изучении происходящих в почве явлений.

К сожалению, в ходе дальнейших исследований, явления, получившие такое же точное объяснение, встречались редко.

 

Аммонификация

 

Этот второй крупный общий процесс выявился в связи ^ работами по нитрификации, как автономный. Найти микробов-аммони- фикаторов было нетрудно. Выбор был скорее слишком велик. Но это не дает ответа на вопрос, какие из них являются наиболее активными в условиях каждой данной почвы. Этот раздел остается, значит, неясным.

Фиксация азота. Из всех крупных явлений больше всего внимания и трудов было, вероятно, потрачено на проблему фиксации азота. Оставим в стороне симбиотическую фиксаццю, где взаимоотношения между растением и микробом дают возможность провести полный цикл опытов так же, как и в случах паразитизма. Займемся только азотфиксирующими бактериями, которых считают способными усваивать газообразный азот за счет углеродистых соединений почвы.

 

После открытия двух первых групп фиксаторов, Clostridium pasto- rianum и азотобактера, удалось вызвать усвоение азота в чистых культурах у довольно многочисленных видов, часть которых нельзя даже рассматривать как почвенных микробов (например, Pseudomonas руосуапеа, Micrococcus prodigiosus, некоторые бактерии молока и т. п.); они всегда развиваются в местообитаниях, богатых азотистыми соединениями. Количества усвоенного ими азота были весьма различны и невелики, но поддавались определению.

 

Следует между тем поставить вопрос, нельзя ли, пользуясь средой, бедной усвояемым азотом, вызвать у какого-либо вида способность к фиксации азота? Ведь в микробиологии часто встречаются случаи, когда, меняя условия существования, можно создать новые свойства. Если это так, то выявится разница между искусственными или лабораторными и естественными или почвенными фиксаторами з о та .

Подобная мысль заставляет нас вновь обратиться к азотфиксирую- -щим бактериям почвы и спросить себя: действительно ли можно считать доказанным, что они выполняют эту функцию в самой почве, а не только в лаборатории при специальном режиме?

 

Мнение о том, что Clostridium и азотобактер являются подлинными азотфиксирующими бактериями, крепко укоренилось в микробиологии уже более 20 лет назад. Интерес, возбужденный аэробным фиксатором ^азота — азотобактером,— вызвал огромную литературу. Собраны многочисленные наблюдения, хорошо освещающие его азотусвояющую спо- сооность и условия, в которых она проявляется в лаборатории. Констатировано, что проба почвы, не фиксирующая или плохо фиксирующая азот, не вызывает развития бактерий в среде без азотистого питания даже при прибавлении маннита; что процентное содержание усвоенного азота, вообще крайне изменчивое, в тех случаях, когда оно достигает максимума, оказывается приблизительно одинаковым в пробе почвы и в чистой культуре; что в кислой почве культура не образуется, а это соответствует неспособности азотобактера развиваться в среде, где рН ниже 6,0. Все перечисленные факты делают весьма вероятным предположение, что именно азотобактер фиксирует азот в почве с маннитом, как это доказано для раствора Бейеринка или для агара с маннитом. Однако даже в такой опытной почве с сахаром или маннитом никогда не видели развития азотобактера и вывод оставался теоретическим, хотя и вероятным, но не доказанным ad oculos. Это возражение относится не только к методу, оно показывает, что многие стороны данного процесса остаются неизвестными. В особенности, когда подумаешь, что почва с сахаром или маннитом не есть нормальная почва; остается открытым вопрос, за счет каких веществ происходит усвоение азота на полях и можно ли это явление объяснить жизнедеятельностью тех же организмов. Напрашиваются более или менее удовлетворительные ответы, но все они основаны на опытах, произведенных в условиях, очень далеких от естественных и имеющих, следовательно, только гипотетическое значение. Словом, этот вопрос, так же как и другие, ждет для своего разрешения нового метода.

 

Распад органических соединений

 

Как известно, три процесса, связанные с круговоротом азота: аммонификация, нитрификация и азотфиксация породили в почвоведении наибольшее число исследований. Посмотрим, как обстоит дело с четвертым процессом, касающимся главным образом углеродистых соединений. В круговороте веществ его значение, конечно, не меньше, принимая во внимание разнообразие процессов, массу веществ, подвергающихся разложению, и, наконец, количество принимающих в нем участие микробных видов, что приводит к минерализации всех органических соединений, общим хранилищем которых является почва.

 

Многочисленные работы по брожению и разложению доступных действию микробов органических соединений хорошо известны. Полученные данные, конечно, могу* быть применены к изучению распада веществ в почве. Однако такое применение требует специальных исследований с естественной средой — почвой, до сих пор не выполненных за отсутствием соответствующего метода. Ибо надо ли говорить, что в последнем случае условия коренным образом отличаются от тех, которые мы имеем в опытах по брожению. Совершенно очевидно, что смесь минеральных остатков и коллоидальных веществ — минеральных и органических,— бедная органическими соединениями, населенная разнородными зародышами, имеет лишь отдаленное сходство с богатой питательной средой, особенно жидкой, сбраживаемой чистой культурой. Следовательно, *отя расщепление соединений определяется главным образом их химической структурой, как и в опытах с брожением, но ход процессов и их микробные возбудители могут быть другими, так как только наиболее пРиспособленный микроб будет иметь возможность захватить энергетическое вещество в борьбе, которая развертывается вокруг последнего. На место микроба, выбранного экспериментатором, совокупность биологических факторов выдвинет вид или группу, которым наиболее благоприятствуют данные условия.

 

Элективная культура

 

Известню, что микробы нитрификации были открыты и изолированы благодаря принципу элективной культу р ы. (i тех пор её применяли во всех случаях, когда дело шло о том, чтобы выявить микроба с определенной функцией. Изготовляли раствор, который благоприятствовал развитию специальной функции, но был явно не благоприятен чуждым такой функции организмам, и засевали его небольшим количеством почвы. Когда функция отчетливо выявлялась, производили еще несколько пересевов в том же растворе, достигая этим удаления большей части посторонних видов и преобладания интересующего нас вида. Только тогда при помощи соответственной среды переходили к окончательному выделению культуры.

 

Точно такой способ получил впоследствии от Бейеринка название метода обогащения, но новое название ничего в нем не изменило.

 

Эта методика много содействовала развитию наших знаний. Однако пришло, по нашему мнению, время изменить классический метод, сохрани» и усовершенствовав полезный принцип элективной культуры; изменить его в смысле приближения, насколько возможно, условий культуры к условиям естественной среды. Мы еще вернемся к этому в дальнейшем.

 

Микрофлора

 

Почвенная микрофлора является одним из самых важных предметов изучения агробиолога. Особенно многочисленными были работы ио подсчетам зародышей, произведенные по методу разведений. В настоящее время все согласны, что такие подсчеты дают не точное представление о действительном числе зародышей, так как на применяемых условных средах развивается только меньшинство их. Кроме того, это меньшинств является неактивным в нормальной почве, характер которой мы сейчас определим. Количество микробов в почве — мы подразумеваем реальное и полное — остается, следовательно, неизвестным; оно таким и останется до тех пор, пока прямое микроскопическое исследование не даст нам возможности непосредственно наблюдать зародыши в самом их естественном местообитании.

 

Неизвестная с количественной стороны микрофлора неизвестна также и качественно. Условными методами было изолировано очень много видов. Большею частью это были споровые бациллы, откуда возникло установившееся со времени первых исследований и сделавшееся классическим мнение о том, что почвенная микрофлора состоит, если не исключительно, то по крайней мере преимущественно из бацилл. Такое мнение обусловливается только тем, что бациллы легко развиваются на бактериологических средах. Они бросались в глаза, тогда как другие, менее послушные экспериментатору или даже непокорные ему формы, не поддавались наблюдению.

 

При обозрении работ в этом направлении приходит на ум, что они производились случайно, без твердо установленных руководящих идей. Действительно, прежде чем изучать почвенную микрофлору, необходима определить истинный смысл этого выражения. Хранилище всевозможных остатков, почва может, очевидно, содержать, по временам и местами, самые разнообразные зародыши. Бесполезно поэтому говорить о специальной микрофлоре: в ней найдутся почти все известные виды, те, которые попали в нее с разлагающимися трупами, нитрификаторы, фиксаторы азота, бактерии, разлагающие гумус и другие автохтонные микробы.

 

Cледовательно, если употреблять термин в экологическом смысле, его надо ограничивать микробами, специально приспособленными к жизни и почвенной среде; и вследствие того, что эта среда часто загрязнена разнородными, ей посторонними веществами, которые подвергаются j• Цей распаду, определение следует дополнить, прибавив к слову «почва»— минеральная биологически нормальная. Это означает, что она содержит органические вещества не в стадии брожения или распада, а в уже разложившемся виде, когда они приведены в сравнительно уравновешенное состояние, в котором их принято называть гумусом. Только в такой нормальной почве мы найдем настоящую почвенную микрофлору, и только прямое микроскопическое исследование может послужить основой для изучения видов, разлагающих г у м у с.

 

Вследствие того, что наши знания о микрофлоре почвы столь неполны, выработка метода ее микробиологического анализа еще заставляет себя ждать. И становится понятной вся сложность проблемы, казавшейся в начале развития микробиологии такой простой.

 

Современный период. Убеждение в несовершенстве применяемых методов не является только нашим. Мнения в том же смысле высказывались в печати, начиная с 1909 г.

 

Около этого времени появилась критическая статья Гуго Фишера, озаглавленная: «Есть ли у нас действительный метод бактериологического исследования почвы?» . Сделав обзор предложенных в Германии методов, автор приходит к отрицательному ответу.

 

Сэр Д. Рэссель, директор опытной станции в Ротамстеде, начинает главу своей монографии  «Почвенные условия и развитие растений» признанием: «мы очень мало знаем о низших организмах и их роли в почве». Обыкновенно, продолжает он, микроорганизмы изолируют при помощи того или другого метода культуры, и их физиологические свойства изучают в произвольном, изготовленном для этой цели растворе; случается, что полученные таким путем выводы немедленно переносятся на почву. Такой метод страдает двумя недостатками: один касается изменчивости видов, другой — возможности скрытой жизни, неактивного состояния этих видов в почве. «Никогда нельзя утверждать без доказательств, что микроорганизм, открытый методами культуры, активен в почве».           ^

 

Те же идеи совершенно независимо были высказаны американским бактериологом Конном в статье «О доказательстве значения микробов для химических превращений в почве» . «Окончательно ли доказано,— говорит он,— что тот или другой микроб является причиной определенного биологического процесса в почве? Вопрос вполне актуален, ввиду встречающихся в литературе утверждений, что некоторые бактерии или группы их вызывают определенные химические процессы, хотя точного доказательства связи между причиной и следствием никогда не было получено». «Лабораторные опыты показывают только, как действуют микробы в лабораторных условиях, а не в почве», так как чистых культур там не существует. Говоря о средствах для исправления создавшегося положения, Конн напоминает четыре хорошо известных принципа Коха, главный из которых,— экспериментальный засев среды чистой культурой — отсутствует, ко^да дело идет о почве, и обязательный круг опыта остается неполным. Чтобы восполнить его, нужно было бы засеять естественную нестерилизованную почву; но это невозможно и пришлось бы пользоваться стерилизованной. «Доказательство, полученное путем такого опыта, было бы лучше, чем от засева лабораторной среды, но имело бы все же малоудовлетворительный характер».

 

Культура в почве, стерилизованной в автоклаве, с успехом практиковалась Бартелем . Пользуясь садовым черноземом, он засевал в него азотобактера, В. radicicola, двух микробов из молока и, наконец, В. ту- coides. Он констатировал под микроскопом их присутствие в очень разбавленной суспензии; ему удавалось различать их на периферии капли и он наблюдал, как их колонии окружали частицы почвы, помещенные на агаровую среду.

 

Главный интерес работы Бартеля заключается не в этом положительном факте, а скорее в следующем отрицательном: «При посеве микроорганизма в нестерилизованную почву,— говорит он,— никакого развития его не наблюдается». Факт ясен и точен и лишний раз показывает нам, что стерилизованная почва является искусственной средой: культура в этой среде, химически и особенно биологически столь отличной от почвы, не может двинуть вперед микробиологию или послужить основой для нового метода.

В этом отношении мы не разделяем мнения Конна. Мы думаем скорее, что в данном направлении сделать ничего нельзя.

 

Возвращаясь к его трудам, мы должны признать за ним несомненную заслугу — он настаивал на необходимости микроскопического исследования почвы и первый предложил метод для этого.

 

После обширных исследований по почвенной микрофлоре , произведенных обычными методами, он пришел к заключению, что «необходим какой-либо прямой метод..., который можно было бы применять для контроля над методами культур». То был микроскопический метод, описанный в статье: «О микроскопическом изучении почвенных бактерий и грибов» . Технику его мы дадим в главе, посвященной микроскопии почвы.

 

Что касается возможностей метода, то автор думает, что он обещает хорошие результаты при условии применения его совместно с культурами на чашках: «при исследованиях почвенной флоры микроскопические данные следует сравнивать с данными, полученными методом культуры». С другой стороны, «слабость метода заключается в невозможности выделения наблюдаемых организмов и в отсутствии способов изучения их жизнедеятельности».

 

Другими словами, дело идет только о микрографическом методе, не связанном с экспериментом. Но этот метод позволил ему изучить два интересных вопроса, а именно;

1)        прямой подсчет почвенных зародышей под микроскопом,

2)        размножение микробов, происходящее в почве под влиянием азотистого удобрения.

«Подсчет под микроскопом» дал цифры, которые подрывают всякую веру в чашечный метод. Никто не сомневался, что последний дает цифры гораздо ниже действительных, но разница 17 млн. против 175 млн., 14 против 340, 13 против 214, 3 против 133 и тому подобное, далеко превзошла все ожидания. Конн указывает, что такие громадные отклонения зависят от того, что большинство почвенных зародышей не развивается на стандартных средах. Действительно, если стерилизованную почву заразить зародышами, хорошо развивающимися на желатине, и затем произвести параллельные подсчеты под микроскопом и на чашках, разница между двумя сериями цифр сильно уменьшится и наивысшие цифры даст то подсчет под микроскопом, то подсчет колоний.

Что касается видов бактерий, населяющих почву, то Конн разделяет их на две большие морфологические группы: спорообразующие и бесспоровые.

 

Иоффе и Конн  констатировали, что в тех случаях, когда размножение бактерий обусловливается внесением азотистых удобрений, в почво наблюдается массовое развитие споровых бацилл. Есть, значит, основание думать, заключают они, что споровые бациллы в почве дожидаются благоприятного момента для своего развития. Когда в почве появляются органические соединения и необходимая вода, споры быстро прорастают и вызывают распад этих соединений скорее, чем бесспоровые формы,, которые следует рассматривать как организмы, действующие в обычных условиях.

 

Такой вывод, несмотря на свою несколько неопределенную форму,, заслуживает внимания как первая попытка выяснить при помощи микроскопа роль различных групп микроорганизмов в почве.

 

Однако метод Конна, предложенный в 1917 г., возбудил в общем интерес только как метод микроскопического подсчета, да и в этих целях применялся редко.

 

Его можно найти только в появившейся в 1923 г. работе Уиттса% в комбинации с методом вибрации, предназначенным для того, чтобы разбивать скопления бактерий. Этот автор констатировал ту же громадную разницу между числами, полученными путем старого и нового методов. Его выводы вызвали критику Торнтона  из Ротамстеда, выразившего сомнения относительно точности микроскопических подсчетов. «Не видя препаратов,— замечает он,— цельзя сказать, действительно ли преодолена до сих пор непобежденная трудность дифференциации живых бактерий от мертвых и от частиц почвы».

Весьма вероятно, что большинство микробиологов разделяет такую точку зрения, и это объясняет, почему первый метод микроскопического исследования почвы, который был предложен Конном, привлек так мало внимания.

 

Итак, несовершенство микробиологических методов изучения почвенных микроорганизмов было признано уже некоторое время назад несколькими учеными, независимо друг от друга, в форме очень верных критических замечаний; но это не вызвало сколько-нибудь серьезного изменения господствующего способа.

 

Принципы прямого метода сами собою вытекают из сделанного нами обзора.

Принятые в настоящее время методы культур дают неточное представление о почвенной микрофлоре и поэтому необходим метод прямого микроскопического исследования, такой же чувствительный, как и те, которые применяются для изучения других местообитаний микробов.

 

Чистая культура на условных средах дает неточное или гипотетическое представление о деятельности микробных видов в почве, и потому необходимо заменить ее культурой непосредственно в самой почве в ее естественном состоянии с прибавлением, в случае надобности, различных веществ в зависимости от изучаемых функций.

Природа бактериологических сред слишком далека во всех отношениях от почвенной среды; надо ввести .другие среды, воспроизводящие возможно точно специальные жизненные условия изучаемых видов или групп.

 

В соответствии с этими положениями мы рассмотрим ниже три группы методов в разделах, посвященных:

первый — микроскопии почвы;

второй — культуре в естественной почве;

третий — вспомогательной культуре на плотной среде, воспроизводящей почву.

 

 

 

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