Наумова Н.Б.

Почва как местообитание микроорганизмов

Мы живем, погруженные в невидимое глазом  море микроорганизмов. Они повсюду – в воде, воздухе, в почве, на нашей коже. И в огромных количествах – их миллионы и миллиарды!  Напомним, что термин «микроорганизм» не имеет филогенетического или таксономического значения, а обозначает лишь любой организм микроскопических размеров (объемом не более 5000 кубических микронов). Однако часто этот термин используют в качестве синонима «бактерии», что не совсем корректно.

Все живые организмы на Земле принадлежат к трем  надцарствам (или доменам) – Eukarya, Bacteriaи  Archaea. И два из них – Bacteria и  Archaea - представлены исключительно организмами микроскопических размеров. Именно микроорганизмы выполняют такие биогеохимические  функции, без которых жизнь на планете не могла бы существовать. В принципе эти функции одинаковы во всех местообитаниях, существующих на планете, - это синтез и разложение органического вещества, минерализация питательных элементов, фиксация атмосферного азота, нитрификация (т.е. образование нитратов), денитрификация (т.е. восстановление нитратов до газообразных форм), трансформация соединений фосфора и серы, трансформация различных  сложных органических соединений как природных, так и антропогенных  (нефти, ароматических полициклов, хлорированных углеводородов, и т.п.). Однако интенсивность процессов, ансамбль микроорганизмов, опосредующих эти процессы, со всей гаммой существующих между этими микроорганизмами  взаимодействий, совокупность конкретных биохимических реакций, особенности изменения под воздействием внешних факторов – все это отличается в разных местообитаниях, и часто очень существенно.

Очевидно, что свойства конкретной  среды очень сильно влияют на численность и активность сообщества микроорганизмов. Здесь мы опишем особенности почвенных экосистем как специфических местообитаний для микроорганизмов.

Концепция почвы как среды для жизни микроорганизмов  основана на ряде трюизмов и традиционных, общепринятых, но не обоснованных  допущений.  К трюизмам относятся представления о почве как о сложном, комплексном местообитании, в котором высоко отношение твердой фазе к жидкой, что является отличительной характеристикой этого местообитания. К необоснованным, но широко распространенным представлениям относится  предположение о том, что почва является неблагоприятной средой для жизни организмов. Эти представления  появились из-за того, что исследователи не смогли поставить корректные вопросы, не будучи в силах отрешиться от антропоцентрического представления о том, что благоприятно (хорошо), а что неблагоприятно (плохо) для микроорганизмов. При поверхностном  взгляде почва кажется  «неблагоприятным» местообитанием для микроорганизмов, так как она

1. бедна органическим веществом и питательными элементами  (особенно доступными, т.е. легкоусвояемыми  углеродными соединениями и источниками энергии, хотя ограничения по другим питательным элементам могут быть тоже сильно лимитирующими);
2. находится под постоянным воздействием меняющихся условий окружающей среды, которые способствуют или не способствуют росту и развитию микроорганизмов (например, вода, температура, радиация, осмотическое давление и т.п.). 

Тем не менее, почва содержит больше родов и видов микроорганизмов, чем другие известные  местообитания (до десятков тысяч видов в 1 грамме), так как по существу  контактирует со всеми микроорганизмами, присутствующими на Земле. Некоторые виды почвенных микроорганизмов представлены очень небольшим количеством особей, возможно из-за того, что почва является структурированной средой с высоким отношением твердой фазы к жидкой, и как следствие, благоприятные для их роста и выживания условия имеются лишь в определенных местах (так называемых микрозонах, сайтах, см. ниже). Так что в целом, с точки зрения численности и биоразнообразия  микроорганизмов, почва является вполне «хорошим», благоприятным местообитанием для микроорганизмов, так как они хорошо адаптированы к кажущимся  суровым условиям.

Микроорганизмы легче, чем другие организмы, приспосабливаются (адаптируются) как на физиологическом, так и на генетическом уровне,  к изменяющимся условиям своего окружения.  Им это было жизненно необходимо, так  как они существуют на планете больше 4 млрд. лет. Есть примеры гомеостаза (т.е постоянства состояния экосистем), существующего  миллионы, если не миллиарды, лет.  И именно этот гомеостаз люди постоянно пытаются изменить предположительно на пользу человечества. Это в первую очередь относится ко внесению (так называемому инокулированию) в почву микроорганизмов с благоприятными (для человека!) свойствами, например, внесение Rhizobium sp. для повышения азотфиксации бобовыми растениями, внесение образующих микоризу грибов для  усиления фосфорного питания растений,  внесение Phanerochaete sp. для усиления разложения токсических и трудноразлагаемых  органических соединений-загрязнителей, внесение целого ряда ризобактерий и  других микробных антагонистов патогенов, поселяющихся на корнях растений. По результатам таких исследований опубликованы тысячи научных статей. Хотя результаты лабораторных или тепличных исследований казались очень многообещающими, инокулирование практически всегда оказывалось неуспешным in situ, особенно в долгосрочном плане. 

Центральным вопросом изучения сообщества почвенных микроорганизмов является следующий: какие именно факторы контролируют  распределение и обилие  членов сообщества? Как эти сообщества меняются  под влиянием изменения факторов среды?

В любом малом кусочке почвы имеется огромное множество пор,  частичек, внешних и внутренних поверхностей, значение которых для организмов огромно.

Почва отличается от всех других местообитаний тем, что в ней доминирует твердая минеральная фаза (почвенная матрица), которая состоит из частиц различных размеров, окруженных водной и газовой фазами, количество и состав которых заметно меняется в пространстве и времени. Сама твердая фаза является тройственной системой,  состоящей из частиц минералов, остатков растений, животных и микроорганизмов на различных стадиях разложения, и живого вещества, т.е. биомассы микроорганизмов. Эти составляющие существуют как независимо друг от друга, так и в виде различных конгломератов. Водная фаза, в которой растворены разнообразные органические и неорганические соединения, обычно является прерывистой, за исключением тех случаев, когда почва насыщена водой (после сильного дождя, снеготаяния, ирригации).

Прерывистость водной фазы ограничивает движение  микробов, особенно бактерий, приводя к локальному  накоплению питательных элементов и токсических веществ, помогая мелким организмам избежать выедания крупными хищниками, снижая вероятность переноса генетического материала бактериями, а также и к другим явлениям, отсутствующим в местообитаниях с непрерывной  водной фазой. Поровое пространство, не заполненное водой,  заполнено газовой фазой, состоящей из воздуха и других газов и летучих соединений. Из-за низкого коэффициента диффузии  большинства газов и «спокойного» характера почвы  (в противоположность водным экосистемам с постоянным волнением и часто потоком), некоторые газы (например, CO₂, CH₄, CO, NО_x) и летучие соединения (например, спирты, альдегиды, низкомолекулярные жирные кислоты) могут накапливаться в почве, в то время как концентрация других газов (O2) снижается. Все это очень сильно влияет на состав и активность микробного сообщества.

Рисунок 1. Почвенные микроагрегаты, различающиеся по размеру на 5 порядков ¹. I  -  почвенная частица: 1 – твердые частицы, 2 – поры; II – корни и гифы:  3-  корень, 4 –гифы гриба; III -  растительные и грибные остатки, инкрустированные неорганикой: 5 – микроагрегаты,6 – растительные остатки, 7 –гифы,  8 – пакеты глинистых частиц; IV -  микробные и грибные остатки, инкрустированные неорганикой: 9 - микробные остатки, 10 – частицы глины; V – аморфные алюмосиликаты, окислы и  органические полимеры, сорбированные на поверхностях и электростатически связанные: 11 – глинистые пластинки, 12 – цементирующее вещество.

Рисунок 2. Схематическое изображение приблизительно 1 см² почвенного агрегата¹.

Исследования последних лет  показали огромное разнообразие способов соединения частиц песка, глины и ила, которые в значительной степени обусловлены активностью микроорганизмов и растений.  Это разнообразие, так же, как и разнообразие воздействия минеральной части почвы на органическое вещество и динамику элементов питания, поражает наше воображение.

Микрозоны в почве. Все микроорганизмы можно считать водными организмами, и их метаболизм в почве  ограничен теми местами, в которые постоянно поступает доступная влага. Таким образом, распределение микроорганизмов в почве приурочено по существу к тем зонам, которые содержат глинистые минералы, так как песчаные частицы не могут удерживать воду против гравитационных сил. Глинистые же минералы из-за своего поверхностного заряда, обусловленного уникальной кристаллической структурой, могут удерживать воду, которая вблизи  поверхности образует упорядоченные квазикристаллические структуры. Упорядочивание молекул воды вблизи глинистых поверхностей уменьшается с увеличением расстояния от поверхности до тех пор,  пока поверхность не перестанет притягивать  молекулы воды и вода сможет передвигаться под действием силы тяжести.

Глинистые минералы обычно не существуют в почве в свободном виде, а встречаются в виде покрытий, или кутан, на большего размера песчаных или илистых частицах, или же существуют в виде ориентированных кластеров, или доменов, между таким частицами (рис.1). Таким образом, покрытые глинистыми минералами частицы объединяются вместе, в первую очередь в результате действия электростатического притяжения, в микроагрегаты, которые, в свою очередь, образуют большие агрегаты 0,5-5 мм в диаметре, содержащие органическое вещество. Агрегаты удерживают воду, количество которой зависит  от типа и количества глины и органического вещества в агрегате, которая может образовывать мостики с водой соседних агрегатов. И вот эти-то агрегаты, или кластеры агрегатов,  и образуют те микрозоны, или микрообитания, где живут микроорганизмы (рис.2). 

В результате дискретности почвенных микрозон взаимодействия между микроорганизмами, как положительные (комменсалистические, мутуалистические, синергетические), так и отрицательные (конкуренция, паразитизм, хищничество), вероятно, встречаются  реже и носят более спорадический характер в почве, чем в местообитаниях с непрерывной водной фазой. И если движение бактерий между микрозонами, скорее всего, ограничено, так как поверхностное натяжение воды в упорядоченных ее слоях слишком велико, то нити грибов могут  пересекать поровое пространство между микрозонами, незаполненное водой (рис.3). Мицелиальные грибы растут апикально или вбок за счет питательных элементов и воды микрозоны, и поскольку они могут перемещать, питательные элементы и воду внутри своего мицелия, их рост не зависит от условий за пределами мицелия. Более того, сам мицелий грибов окружен  водными пленками, по которым бактерии, бактериофаги, питательные элементы могут  перемещаться из одной микрозоны в другую.

Условия внутри  микрозоны или ее части могут также влиять на активность микроорганизмов. Бактерия, которая прикрепляется к глинистой кутане в результате хемотропного  привлечения к адсорбированным органическим соединениям,  может быть ограничена в питании после того, как она усвоит эти адсорбированные органические субстраты. Затем она будет целиком зависеть от  скорости диффузии новых питательных элементов.

Тип глинистого минерала имеет огромное влияние на активность почвенных микроорганизмов (рост, гетеротрофный, автотрофный и  миксотрофный метаболизм, органическое и неорганическое  питание, прорастание спор,  конкуренция, хищничество, паразитизм, передача генетического материала, патогенез). Кроме того, глинистые минералы защищают микроорганизмы от  токсического действия кислотных дождей,  тяжелых металлов,  газов, органических соединений,  гипертонических растворов, повышенных температур, ультрафиолетового излучения,  иссушения, и рентгеновского излучения. Механизмы не всегда ясны, и во многих случаях являются косвенными. Прямое же влияние глинистых минералов заключается в поверхностных взаимодействиях.

В дополнение к дискретности (прерывистости), микрозоны чрезвычайно гетерогенны и вариабельны. Состав и размеры частиц,  количество и свойства растворов, питательные элементы, pH,  окислительно-восстановительный потенциал, ионная сила и другие физико-химические свойства могут сильно изменяться даже на очень коротких расстояниях. Эта вариабельность абиотических факторов отражается на гетерогенности микробиоты, что проявляется в том, что  в одном почвенном образце встречаются  микроорганизмы разных типов метаболизма (автотрофы и гетеротрофы), аэробы и анаэробы, растущие клетки и споры, прокариоты и эукариоты, и т.п.  

Рисунок 3. Схематическое представление трех микрозон в почве. Пространство между микрозонами заполнено водной и газовой фазами. Обратите внимание, что гифы грибов переходят из одной микрозоны в другую, пересекая  поровое пространство, лишенное воды. Гифы окружены водными пленками, которые могут содержать бактерии, бактериофаги,  и растворенные органические субстраты. 1 - вода, 2 -  водные пленки, 3 – глинистые кутаны, 4 – песок, ил и др.

Итак, почва является сложным для изучения объектом, представляя собой динамичное единство постоянства и изменчивости, тесную связь живого и неживого, микроорганизмов и макропроцессов, ими осуществляемых.

Примечание:

¹ - Д.С. Коулман (1988). Значение  педа в экологической оценке взаимодействий  в системе  корни- почва- микроорганизмы-фауна. Почвоведение, 1988, №9, с.93-106.