Автор: Бабьева И.П. Зенова Г.М.
Теги: сельское хозяйство в целом биология почвы почвоведение
Год: 1983
Текст
И. П. БАБЬЕВА. Г М. ЗЕНОВА
И. П. БАБЬЕВА, Г. М. ЗЕНОВА
>ЮД РЕДАКЦИЕЙ
ПРОФЕССОРА
Д.Г. ЗВЯГИНЦЕВА
Допущено Министерством высше-
го и среднего специального обра-
зования в качестве учебника для
студентов вузов, обучающихся по
специальности «Агрохимия и почво-
ведение»
ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКОВСКОГО
УНИВЕРСИТЕТА
1983
УДК 631
Бабьева И. П., Белова Г. М. Биология почв. — М.: Изд-во Моск, ун-та, ЮЗЗ.—
248 с.
Учебник составлен по типовой программе курса биологии почв в учебном плане
университетов. В учебнике описываются растения, водоросли, грибы, лишайники,
простейшие, беспозвоночные и позвоночные животные, прокариоты и ультрамикро-
скопические формы; участие микроорганизмов в превращении веществ в природе,
биогеохимические циклы и почвенно-биологические процессы: роль микроорганизмов
в биологическом круговороте веществ на 'Земле. Дана характеристика основных сос-
тавных частей почвы с позиции их значения в жизни почвообитающих организмов.
Приводятся типы биологических связей в мире почвенных организмов (биоценоз и
биогеоценоз, консорции как функциональные единицы биогеоценоза, симбиоз, метабиоз,
конкуренция, взаимодействия почвенных микроорганизмов с растениями и животными).
Большое внимание уделяется биологической активности почв я вопросам биодиаг-
ностики.
Библиогр. 63 назв. Ил. 84. Табл. 6.
Рецензенты:
кафедра микробиологии ТСХА
(зав. кафедрой докт. биол-. наук, ттроф. .В. Т. Емцев);
академик Е. Н. Мишустин
Введение и теоретические разделы всех глав учебника написаны И. П. Бабьевой,
методические разделы и списки рекомендуемых практических занятий
составлены Г. М. Зеновой.
Авторы благодарны профессору Д. Г. Звягинцеву за ценные советы при составлении
рукописи и ее детальный разбор, академику Е. И. Мишустину, профессорам
В. Т. Емцеву и А. Д. Воронину за рецензии на учебник.
Инна Павловна Бабьева,
Галина Михайловна Зенова
БИОЛОГИЯ ПОЧВ
Зав. .редакцией 77. М. Глазкова. Редактор Н. А. Жук. Художник Н. И. Сенько. Художественный
редактор Ю. М. Добрянская. Технический редактор Г. Д. Колоскова. Корректоры М. И. Эльмус,
‘Л. А. Костылева
Темам чески й план 1983 г. № 136 И Б М? 4(488
Сдано в .набор 04.10.82. noanmca'iio .к печати 03.02.83. Л-96131 Формат 70X90’/i6 Бумага тит. № 1
Гарнитура литературная. Высокая печать. Уел. веч. ,т. 18Д4 Уч.-изд. л. 18.1.5 Тираж 4930 экз.
.Заказ 525. Цеиа 75 кол. Изд. |№ 2122
Ордена «Знак Почета» издательство Московского университета. 103009, Москва, ул. Герцена, 5/7.
Типография ордена «Звак Почета» .изд-ва МГУ. Москва., Ленин е кию поры.
ь 3802020000—054
077(02)т-83
136—83
rCj Издательство Московского университета, 1983 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ......................................................... ..... 4
Глава 1. Почвенная биота . ....................................: 8
Высшие растения......................................................10
Почвенные водоросли ................................................. 12
Почвенные животные....................................................20
Почвенные грибы.......................................................42
Лишайники...................................................... 51
Прокариоты............................................................56
Вирусы и фаги........................................................73
Методы исследования почвенной биоты...................................74
Исследование отдельных групп почвенных организмов.....................81
Рекомендуемые практические занятия...................................102
Глава 2. Участие почвенных микроорганизмов в циклах основных биогенных
элементов в биосфере и почвообразовательных процессах...............107
Особенности обмена веществ у микроорганизмов......................110
Превращения соединений углерода и круговорот кислорода . . . . 113
Образование и окисление водорода .... 126
Круговорот азота .................................................... 127
Превращения фосфора................................................. 143
Круговорот серы......................................................146
Превращения калия....................................................149
Превращения железа...................................................150
Превращения марганца................................................ 152
Превращения алюминия...............................'. . . . 152
Другие элементы...................................................... 154
Биологические процессы в почвообразовании............................156
Методы исследования экологических функций и' индикаторных свойств поч-
венных микроорганизмов ............................................ 165
Рекомендуемые практические занятия...................................179
-Глава 3. Экологические и прикладные аспекты биологии почв .... 182
Общие понятия, принципы и концепции экологии.........................182
Почва как среда обитания.............................................185
Распределение микроорганизмов по почвенному профилю и их перемещение 192
Организация и типы связей в биотическом сообществе..................194
Биоценозы зональных типов почв СССР..................................201
Основные принципы биологической индикации и диагностики почв . . . 215
Биологическая индикация загрязнений почвенной среды и самоочищение
почв............................................................... 222
Методы исследования биоценозов и биологической активности почв . 227
Рекомендуемые практические- занятия..................................246
Литература . . .............................................247
3
Учителю,
основателю кафедры биологии почв
в Московском университете
Николаю Александровичу Красильникову
поев ящаетс я
ВВЕДЕНИЕ
Жизнь иа нашей планете поддерживает два основных процесса —
создание нового органического вещества за счет фотосинтеза и его
последующее ступенчатое разложение. Первый осуществляется глав-
ным образом высшими растениями, второй — микроорганизмами
Н. А. Красильников
(1896—1973)
в почве. Биология почвы, изучаю-
щая мир почвенных обитателей и
процессы, которые они вызывают,
связывает воедино отдельные зве-
нья этого биологического кругово-
рота веществ.
Биология почвы представляет
собой, с одной стороны, раздел поч-
воведения как широкой общей нау-
ки о почве, с другой -— опа может
рассматриваться и как раздел но-
вой науки — биогсоцспологпи, изу-
чающей сложные природные систе-
мы планеты. Биология почвы —
комплексная наука, родившаяся на
стыке разных разделов биолонти и
почвоведения. Опа включает микро-
биологию и биохимию, альгологию
и микологию, почвенную зоологию
и протистологию. В то же время
она изучает процессы и явления,
которые составляют область иссле-
дований генетического почвоведения
(происхождение и развитие почв,
образование гумуса, формирование
почвенного профиля и др.), фи-
зики и химии почв (роль микро-
организмов в образовании водопроч-
ных агрегатов почв, в разрушении структуры; превращение отдельных
элементов, их аккумуляция и др.), географии почв (разработка прин-
ципов и методов биологической диагностики и классификации почв),
агрохимии и земледелия (почвенное плодородие и питание рас-
тений) .
4
Биология почв не только описывает явления, но и расшифровы-
вает механизмы протекающих в почве процессов, их биохимическую
сущность. Будучи тесно связанной с другими разделами почвоведения,,
биология почвы имеет свои объекты исследования, специфические про-
блемы и арсенал необходимых для их решения методов, что ставит ее
в ряд самостоятельных наук.
Истоки зарождения биологии почвы прослеживаются в конце про-
шлого и начале нашего века, когда был заложен фундамент двух
наук — почвоведения и микробиологии.
Около 100 лет тому назад В. В. Докучаев разработал основы уче-
ния о почве как природном теле, которое является функцией ряда
факторов — почвообразующей породы и времени, климата и рельефа,
а также жизнедеятельности животных и растений. Он первый связал
процессы почвообразования с деятельностью почвенных микроорга-
низмов. В работах В. В. Докучаева была изложена новая методоло-
гия — генетический подход к изучению почвы с учетом пе отдельных
тел и факторов, а всего комплекса в целом. Этот метод в настоящее
время получил широкое развитие на новом уровне и носит название
системного подхода. Начиная с работ В. В. Докучаева и его талант-
ливого ученика В. И. Вернадского, почва всегда считалась компонен-
том еще более сложной природной системы — биогеоценоза и био-
сферы в целом. Итогом работ В. В. Докучаева было создание учения
о зонах природы, получившее дальнейшее развитие в трудах акаде-
мика Б. Б. Полынова, создавшего новую пауку — геохимию ланд-
шафта и учение о коре выветривания, в котором он отводил большую
роль деятельности микроорганизмов. Он писал, что именно в почвах
сосредоточена геологическая работа живого вещества. Почва отли-
чается от коры выветривания биогенной аккумуляцией химических
элементов.
В. И. Вернадский, разрабатывая основы биогеохимии — науки
о биосфере, рассматривал деятельность живых организмов в их сово-
купности с точки зрения геологического эффекта и считал ее самой
могучей силой на земной поверхности. Именно благодаря этой дея-
тельности была создана на Земле азотно-кислородная атмосфера, про-
изошло изменение состава гидросферы и литосферы. В. И. Вернад-
ский впервые отнес почву в разряд биокосных систем, в основе функ-
ционирования которых лежат биохимические механизмы. Новый этап
исследования этих механизмов знаменуется в современный период
иным методическим уровнем и обновлением основных концепций, ка-
сающихся как живой части почвы — ее биоты, так и косной среды,
которая обеспечивает условия существования.
Понятие микробоценоза как жесткой системы почвенных микро-
организмов с общими механизмами регуляции сменилось представле-
нием о комплексе почвенных организмов (Д. Г. Звягинцев), который
пе подвержен общей регуляции, по отдельные компоненты его имеют
функциональные связи с автотрофным (растительным) и гетеротроф-
ным (животным) звеньями консорции. Такой консорционный подход
открывает новые перспективы для развития биологии почв па стыке
5
всех наук о почве, с одной стороны, и почвенных разделов перечис-
ленных выше биологических Дисциплин — с другой.
Постановка В. В. Докучаевым вопроса о включении бактериоло-
гии в общую науку о почве стала возможной в конце прошлого века
благодаря тому, что к этому времени возникло учение о микроорга-
низмах, фундамент которого был заложен трудами великого француз-
ского ученого Л. Пастера (1822—1895).
О Существовании невидимых простым глазом организмов было из-
вестно задолго до работ Пастера. Еще во второй половине XVII в.
голландец А. ван Левенгук (1632—1723) обнаружил с помощью соз-
данного им микроскопа мельчайших «анималькулей», которых он опи-
сал в своих многочисленных письмах, направленных в Лондонское
Королевское Общество. В одном из писем он изобразил разной формы
бактерий, найденных в полости рта человека. Простые микроскопы
Левенгука, состоявшие всего из одной двояковыпуклой линзы, но уве-
личивавшие объект в 250—300 раз, до сих пор представляют загадку
для исследователей, тайну которой автор так и не открыл. Левенгук
впервые описал не только бактерий, но и простейших, и клетки водо-
рослей и ткани, и форменные элементы крови. Поэтому его считают
основоположником многих биологических дисциплин — микробиологии
и протистологии, альгологии и цитологии, гистологии и гематологии.
Хотя Левенгук и обнаружил существование бактерий, но еще
много лет после него было неясно, что это за организмы. Создатель
«Системы природы» шведский ученый К. Линней писал через 100 лет
после Левенгука о микроорганизмах как о таинственных живых моле-
кулах, которые он отнес в так называемый «Хаос» и разобраться в нем
завещал потомкам.
Первые воспроизводимые методические приемы работы с микро-
организмами, разработанные Пастером, сделали возможным развитие
микробиологии. Химик по образованию Пастер не случайно занялся
изучением брожений. До Пастера под брожениями понимали всякие
превращения веществ, а вызывающие эти процессы «тела» называли
ферментами, но не связывали их с жизнью. По Либиху, это было «дви-
жение атомов». С 1857 г. Пастер изучал процессы молочнокислого,
спиртового, уксуснокислого и открытого им маслянокислого брожения
и доказал, что все они вызываются деятельностью разных видов ми-
кроорганизмов. При этом он открыл явление анаэробиоза — жизни
без кислорода — и описал анаэробных бактерий. Это открытие имело
большое принципиальное значение не только для микробиологии, ио
и для биологии в целом, так как показывало возможность заполнения
жизнью тех экологических сфер, где отсутствует свободный кислород.
Пастер количественными балансовыми расчетами доказал, что броже-
ние служит источником энергии для вызывающих этот процесс микро-
организмов. Этот цикл работ Пастера имел большое влияние на раз-
витие микробиологических исследований в почвоведении. Именно под
влиянием идей о брожениях стали изучать анаэробные превращения
органических веществ в почве — разложение клетчатки, пектина и т. д.
Это было начало почвенной микробиологии.
С
В Пастеровском институте, созданном в 1888 г. па средства, со-
бранные по международной подписке в фонд Пастера, была органи-
зована и лаборатория почвенной микробиологии. Ее возглавил русский
ученый С. Н. Виноградский (1856—1953). Первые работы в области
почвенной микробиологии были связаны с проблемой азота. Тогда
считали, что растения для питания используют из почвы только нитра-
ты. А откуда нитраты появляются в почве? С. Н. Виноградскому уда-
лось показать, благодаря созданному им методу элективных культур,
что нитраты в почве образуются в результате аэробного окисления
аммония микроорганизмами без участия в процессе органических
соединений. Это было открытие хемосинтеза — автотрофной жизни за
счет энергии окисления неорганических соединений. Из других наи-
более значительных работ С. Н. Виноградского следует назвать откры-
тие им анаэробной фиксации азота, исследование процессов аэробного
разложения целлюлозы, выяснения роли микроорганизмов почвы в пре-
вращении гумусовых веществ.
Ученик Г. А. Надсона Н. А. Красильников (1896—1973) в 1953 г.
возглавил первую в мире кафедру биологии почв, организованную
в Московском университете. Он один из первых рассматривал жизнь
почвенных микроорганизмов в единой системе с высшими растениями.
Его монография «Микроорганизмы почвы и высшие растения» (1958)
стала классическим трудом и до сих пор является единственным учеб-
ным руководством по этому курсу. Н. А. Красильников известен также
как крупнейший специалист по систематике микроорганизмов. Он соз-
дал определители бактерий и актиномицетов, описал много новых
видов микроорганизмов, разработал эволюционный принцип в систе-
матике актиномицетов. В портретной галерее Пастеровского института
в Париже среди выдающихся ученых-микробиологов мира есть и порт-
рет Николая Александровича Красильникова.
Современный период развития биологии почв характеризуется,
прежде всего, комплексностью исследований. В развитии биологиче-
ского направления в почвоведении участвуют микробиологи и мико-
логи, альгологи и протистологи, зоологи и ботаники, почвоведы и агро-
химики. Разрабатываются проблемы зональности в географическом
распространении микроорганизмов и их ассоциаций (Е. Н. Мишустин),
микробиологические основы процессов почвообразования (Т В. Ари-
стовская), принципы зоологической диагностики почв (М. С. Гиляров),
роль водорослей в продукционном процессе (Э. А. Штина) и многие
другие, проблемы, связанные с развитием основных направлений почво-
ведения. Для современного этапа характерно значительное расширение
биохимических исследований в биологии почв и разработка новых
теоретических концепций (Д. Г. Звягинцев). Внедрение новых методов
биохимии, биофизики и электронной микроскопии в почвенно-биологи-
ческие исследования позволило значительно повысить их уровень и
расширило возможности проникновения в наиболее топкие процессы
и механизмы функционирования сообществ почвенных организмов.
Глава 1
ПОЧВЕННАЯ БИОТА
Понятие о многообразии живого мира долгое время ограничива-
лось делением его на два царства: растительных и животных организ-
мов, соответственно флору и фауну Земли. Это представление шло от
Аристотеля и было «узаконено» в «Системе природы» К. Линнеем.
Основные разграничительные-признаки этих царств заключались в типе
питания (гетеротрофном и голозойном — у животных, автотрофном
и осмотрофном — у растений); наличии ригидной клеточной стенки
(у растений) или се отсутствии (у животных); подвижном или непо-
движном образе жизни. И хотя эти признаки нс всегда обнаружива-
лись у организмов, относимых к этим двум царствам, все же основная
масса их представителей соответствовала такой характеристике. /Ми-
кроскопические организмы делили между этими двумя царствами сле-
дующим образом: водоросли, грибы и бактерии относили к растениям,
простейшие — к животным. При более детальном изучении однокле-
точных микроскопических организмов возникли затруднения при раз-
делении их на животных и растений: у некоторых обнаружились
комбинации признаков, свойственных представителям как того, так и
другого царства. Например, некоторые одноклеточные жгутиковые
содержат хлорофилл и способны к фотосинтезу как растения, в то же
время по характеру организации клетки они должны быть отнесены
к простейшим; слизевики (миксомицеты) в стадии амеб — фаготрофы
как и простейшие, а в стадии образования плодовых тел они сходны
с грибами.
Чтобы избежать затруднений, возникающих при классификации
таких объектов, было предложено создать третье царство живой при-
роды — царство протестов (Э. Геккель), в которое были включены
водоросли, простейшие, грибы и бактерии. Получилось смешанное цар-
ство, основной характеристикой которого была относительная просто-
та биологической организации. С эволюционных позиций ясно, что
члены этого царства — потомки тех организмов, которые существо-
вали до разделения животных и растений на две крупные ветви раз-
вития жизни.
Поворотом в представлениях о многообразии и эволюции живого
мира было установление различий в тонком строении всех клеток,
открытие прокариотического и эукариотического типа клеточной орга-
низации. Обнаруженные первоначально с помощью электронного ми-
кроскопа цитологические различия, главным образом в ядериом аппа-
рате, были подкреплены затем биохимическими данными о составе
8
клеточных стенок и механизмах раооты компонентов клетки, ооеспе-
чивающих синтез информационных макромолекул. Разрыв между
Procaryota (доядерными организмами) и Eucaryota (истинными ядер-
ными) оказался значительно большим, чем различия между растения-
ми и животными. При этом царство протистов оказалось разделенным:
бактерии и синезелепые водоросли отошли к прокариотам, а простей-
шие, грибы и остальные водоросли — к эукариотам.
Если исходить из двух главных характеристик живого — типа
питания и типа строения, — то их разные сочетания проявляются
Рис. 1. Царства живой природы
в существующих на Земле семи группах организмов, из которых фор-
мируют четыре царства живой природы (рис. 1).
Е Растения (Plantac) объединяют фотосинтезирующие организ-
мы-эукариоты (от одноклеточных водорослей до сосудистых расте-
ний с тканевым строением тела). Первичные продуценты органических
веществ.
2. Животные (Animalia) объединяют эукариотические организмы
с голозойным типом питания от одноклеточных простейших до слож-
ных организмов с тканевым строением тела и наличием специализи-
рованных органов. Потребители органических веществ на разных тро-
фических уровнях.
3. Грибы (Mycota) — эукариотические организмы с осмотрофным
типом питания, одноклеточные и мицелиальные, иногда образующие,
ложные ткани. Главные разлагатели органических веществ.
9
4. Прокариоты (Procaryotae) — доядерные микроскопические орга-
низмы, преимущественно одноклеточные и мицелиальные. По типу
питания делятся на две группы: фототрофные и осмотрофные (иначе —
автотрофы и гетеротрофы). Соответственно в экологических цепях
выступают в роли либо продуцентов, либо редуцентов.
Четырехцарственная „система сохраняется и в том случае, когда
все одноклеточные эукариоты объединяют в одно царство протпстов
(Protista). В него попадают водоросли, грибы и простейшие. Между
этими группами есть промежуточные формы, которые делают расплыв-
чатыми границы между ними.. Утеря пигментов у одноклеточных водо-
рослей делает их неотличимыми от грибов; жгутиковые формы водо-
рослей и простейших трудно однозначно отнести к тем или другим;
слизевики в вегетативной стадии амеб питаются голозойпо, но обра-
зуют на стадии размножения спорангии со спорами, как и грибы.
В почве обитают представители всех царств живой природы, какое
бы число этих царств мы ни выделяли. В почве развиваются корневые
системы высших растений, низшие растения — водоросли — живут
на поверхности почвы и в верхних слоях почвенной толщи. Животные
различных размерных групп по-разному используют почву в качестве
местообитания: одни живут в ней постоянно, заселяя ее поры, мсж-
агрегатные пространства и водные пленки; другие проделывают в поч-
ве ходы, норы п пещеры,- сильно изменяя ее сложение; третьи только
временно уходят в почву, используя ее как убежище или место, где
проходит стадия зимнего покоя. Простейшие проявляют свою актив-
ность главным образом в водной фазе почвы. Микроскопические орга-
низмы — грибы, бактерии, актиномицеты -- прикрепляются к поверх-
ности почвенных частиц и образуют на них более или менее сложные
разрастания — колонии. Некоторые бактерии ведут подвижный образ
жизни, активно передвигаясь в водных растворах, заполняющих ка-
пилляры.
Вся совокупность живых обитателей почвы получила название
почвенной биоты. Этот термин не имеет таксономического значения и
не несет какой-либо экологической нагрузки. Биота — это сборное
понятие для всего комплекса живущих в почве организмов, называе-
мых иногда эдафоном. Этот комплекс чрезвычайно разнообразен и
различен в почвах разных Типов.
Ниже мы рассмотрим почвенную биоту по таксономическим груп-
пам в порядке их экологического значения в биологическом кругово-
роте веществ: от продуцентов до редуцентов.
ВЫСШИЕ РАСТЕНИЯ
Это основные первичные продуценты, составляющие ядро назем-
ных биогеоценозов. С продукции органического вещества начинается
биологический круговорот на нашей планете. Он включает поступление
элементов из почвы и из атмосферы в растения, биосинтез ими поли-
мерных веществ и последующее разложение мертвых остатков микро-
организмами с возвращением элементов в почву и атмосферу. В ре-
10
зультате биологического круговорота происходит обогащение почвы
органическим веществом, азотом, элементами минерального питания,
которые вновь поступают в растения.
Биологический круговорот в разных природных зонах различен и
классифицируется по комплексу показателей: биомассе растений, опа-
ду, подстилке, количеству закрепленных в биомассе элементов и т. д.
(табл. 1).
Таблица 1
Показатели биологического круговорота в разных природных зонах
(по Л. Е. Родину и Н. И. Базилевич, с сокращениями, 1965).
Показатели Тундра Лесная зона Степи Пустыни
аркти- ческая кустарнич- ковая ельни- ки дубра- ВЫ луго- вые сухие полуку- старничко- вые эфемерово- полукус- тарцинко- вые
Биомасса, ц/га 50 280 3000 4000 250 100 43 ' 125
Доля подземных органов, 7С —83 22- -24 68- -85 ДО 90
% Опад, зеленые части, ц/га 2,6 9 30 40 80 15 1 18
Подстилка, войлок, ц/га Подстилка: 35 835 300 150 120 15 — —
опад 14 92 10 4 1,5 7 1 — —
Общая биомасса наиболее высока в лесной зоне, а доля подзем-
ных органов в лесах наименьшая. В этой зоне значительная часть
органических веществ накапливается в. форме подстилки, особенно
в хвойных лесах. Однако отношение подстилки к опаду пе достигает
высоких величин из-за большой доли опада и активной его перера-
ботки в результате деятельности микроорганизмов. По сравнению
с лесной зоной в тундре и пустынях, т. е. в крайних для жизни усло-
виях, создается относительно небольшая биомасса с высокой пропор-
цией подземных органов, достигающей 90% в пустынной зоне. Резкие
различия между тундрой и пустыней заключаются в накоплении мерт-
вых растительных остатков, количество которых достигает максималь-
ных величин в тундре и которые почти полностью отсутствуют в пу-
стыне. Отношение подстилка : опад в подзоне кустарничковых тундр
наибольшее, что свидетельствует о слабо идущих процессах разложе-
ния отмирающих частей растений и опада.
Корневые системы растений оказывают влияние на физические и
химические свойства почв, на ее биологическую активность. Они изме-
няют структуру, создают порозпость, влияют на аэрацию, вызывают
сдвиги в равновесии почвенных растворов, участвуют в разложении
минералов, снабжают почвенные микроорганизмы источниками орга-
нического питания. Благодаря корневым‘системам происходит биоген-
ная аккумуляция и дифференциация веществ в почвенном профиле.
Очень важным для почвенной микробиологии и биохимии является
вопрос о количестве и химическом составе корневых выделений расте-
11
ний, так как именно процесс прижизненной экскреции органических
веществ через корни определяет интенсивность развития микроорга-
низмов в корневой зоне растений и активность важных биохимических
процессов. В частности, на поверхности и вблизи корней (в ризоплане
и ризосфере) сосредоточены микроорганизмы, осуществляющие глав-
ные звенья круговорота азота — процессы азотфиксации и денитри-
фикации, что отражается непосредственно на азотном питании расте-
ний и общем балансе азота в почве.
Корнями растений питаются некоторые’ почвенные беспозвоночные
{клещи, нематоды), па корнях развиваются грибы, образующие мико-
ризу, с клетками корня вступают в симбиоз бактерии, что приводит
к формированию клубеньков.
ПОЧВЕННЫЕ ВОДОРОСЛИ
Большинство почвенных водорослей — микроскопические организ-
мы. В отличие от других микроорганизмов, водоросли можно легко
заметить невооруженным глазом при их обильном развитии на почве:
они образуют зеленые и синезелепые корочки, пленки, войлокообраз-
ные налеты на поверхности влажной почвы. Такое явление получило
название «цветения почвы». Чаще оно бывает весной, когда много вла-
ги, почва еще не покрыта растениями, а поверхность ее согревается
солнцем. В этот период на 1 см2 поверхности почвы может развиваться
до 20 млн. клеток, а биомасса их достигает 1500 кг/га. Летом можно
видеть палеты водорослей на открытых влажных местах: по краям
гряд, в междурядьях на орошаемых полях и т. и. Водоросли активно
заселяют поверхности скал, стволы деревьев и различные сооружения,
если есть условия конденсации на этих поверхностях влаги. Пионерная
роль водорослей проявляется и при их разрастании на чисто мине-
ральных субстратах антропогенного происхождения — на строитель-
ных выбросах, шламах, промышленных отвалах. В лесу водоросли
сосредоточены в подстилке, где их значительно больше, чем в ниже-
лежащих почвенных горизонтах.
Почвенными называют те водоросли, местообитание которых по-
стоянно связано с почвой. Это может быть группировка наземных
форм, которые при благоприятных условиях разрастаются на поверх-
ности почвы в виде корочек или .пленок; водно-наземных, живущих
в водной среде постоянно влажных почв; или собственно почвенных,
обитающих в толще почвенного слоя.
Водоросли обнаруживаются во всех почвах. При этом численность
и биомасса их сильно варьируют в одной и той же почве в зависи-
мости от влажности, солевого режима и условий освещения. Количе-
ство водорослей составляет от 5 тыс. до 1,5 млн/г, достигая макси-
мальных значений на почвах, не запятых сплошным покровом высших
растений, например, в корковом солончаке, па такыре. Биомасса их
при поверхностных разрастаниях достигает сотен кг/га, в дерново-под-
золистой почве она колеблется в пределах 40—300 кг/га в слое 0—
12
10 см и значительно выше в пахотных почвах по сравнению с лес-
ными.
Так как водоросли — фотоавтотрофные организмы, то в общей
биогеоценотической системе они наряду с растениями включаются
в группировку первичных продуцентов органического вещества. Про-
дуктивность водорослей в наземных биогеоценозах, естественно, не-
сравнимо меньшая, чем высших растений, однако их биомасса исклю-
чительно подвижна, она быстро накапливается при благоприятных
условиях, становится пищей для других почвенных микроорганизмов
и беспозвоночных животных. Функция водорослей как продуцентов
•органического вещества особенно важна в начинающих свое развитие
биогеоценозах: в горных районах, где идет первичный почвообразо-
вательный процесс, на изверженных вулканических породах, на рекуль-
тивируемых землях. Почвенные водоросли могут быть биоиндикато-
рами на идущие в почве процессы, на состояние почв, включая газо-
вый и солевой режим,
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВЕННЫХ ВОДОРОСЛЕЙ
Таллюм,—пли слоевище, водорослей состоит обычно из слабо диф-
-ференпирхшанных клеток. Есть одноклеточные, жгутиковые, нитчатые,
колониальные, сифональные и многоклеточные водоросли (рис. 2).
•Слоевища бывают корковидные, шиуровидиые, шаровидные, пластин-
чатые или кустистые с ложными «листьями». Бодоросли лишены кор-
ней и поглощают растворенные вещества из среды всей поверхностью,
•осмотрофно. У наземных сифональных форм иногда развиваются кор-
неподобные образования — ризоиды. Размножаются водоросли вегета-
тивно, а также образуют бесполые споры. У некоторых форм есть
половой процесс, заключающийся в образовании половых спор и га-
мет, которые могут быть подвижными за счет наличия жгутиков.
Питание водорослей отличается от всех других почвенных микро-
организмов тем, что водбросли — фотосинтезирующие организмы и
в огромном большинстве своем не нуждаются в готовых органических
веществах. Находясь, однако, в глубоких горизонтах почвы, куда не
проникает солнечный свет, некоторые водоросли способны переклю-
чаться на гетеротрофный обмен и поглощают из среды растворенные
органические вещества. Известны также водоросли, которые совсем
пе им еют ’ х л о роф ил л а и всегда живут как гетеротрофы.
Собственно водоросли, как и все эукариоты, азот пе фиксируют.
Прокариотные сиисзслеиые (цианобактерии) относятся к диазотроф-
ным микроорганизмам. Аммонийный азот служит хорошим источни-
ком азота для водорослей, как и азот нитратов. В качестве фактора,
лимитирующего рост водорослей в почве, может выступать и фосфор.
Водоросли делятся на несколько крупных самостоятельных таксо-
нов па уровне отделов. В почве обнаруживаются представители дале-
ко нс всех крупных групп водорослей. Общее количество видов водо-
рослей, найденных в почвах, приближается к 2000, из них почти
1500 видов описаны для почв СССР. Средн почвенных водорослей
13
Рис. 2. Типы структурной организации водорослевого таллома:
1—амебоидная, 2 — моиадпая, 3—коккоидная, 4— пальмеллоидная, 5 — нитчатая
приблизительно поровну синезеленых к зеленых (по 500 видов), далее
идут диатомовые (около 300 видов), желтозеленые (более 150) и очень
мало эвгленовых и пирофитовых. Из красных водорослей как оби-
татель почв известен всего один вид. Мы ограничимся кратким рас-
смотрением только первых четырех' отделов.
Синезеленые водоросли (цианобактерии)
Среди водорослей эти организмы рассматриваются, с одной сто-
роны, по традиции, а с другой „— в связи с их экологической общ-
ностью с водорослями и общими для тех и других методами анализа.
Уже более 100 лет назад ученые обратили внимание на отличие сине-
зеленых от других водорослей и на их общие черты с бактериями.
Когда Чаттон в 1937 г. предложил на основании строения клетки раз-
делить все организмы на эукариоты и прокариоты, то синезеленые
попали в группу прокариот вместе с бактериями. Однако по образу
жизни, по жизненным формам синезеленые более близки к водорос-
лям, чем к бактериям, и поэтому их удобнее рассматривать, хотя и
условно, как объект почвенной альгологии. С водорослями синезеле-
ных сближает и то, что это единственные прокариоты, осуществляю-
щие фотосинтез с выделением кислорода.
Клетка цианобактерий имеет строение, характерное для прока-
риот: ядерная субстация не отделена от цитоплазмы мембраной, ми-
тохондрии и хлоропласты отсутствуют, эндоплазматическая сеть слабо
развита, запасное вещество — поли-р-оксимасляиая кислота как и
у бактерий. Строение клеточной стенки сходно со структурой грамот--
рицательных бактерий. В ней имеется несколько слоев разного хими-
ческого состава: белковой и гликопептидной природы (муреин), а сна-г
ружи клеточная стенка обычно имеет еще слизистый слой, который
носит название капсулы, или чехла. Наличие в клеточной стенке фиб-
риллярного белкового слоя обусловливает скользящее передвижение
клеток по плотном)’ субстрату.
Фотосинтезирующий аппарат синезеленых водорослей представлен
тилакоидами — стопками мембран, которые’ по структуре и функциям
сходны с соответствующими образованиями хлоропластов, но в отли-
чие от последних они не имеют отграничивающей мембраны, а распо-
лагаются непосредственно в цитоплазме. Пигменты — хлорофилл,
фикоцианин (синий), фикоэритрин, каротиноиды. Набор пигментов
и определяет синевато-зеленый оттенок этих организмов.
Морфологически цианобактерии очень разнообразны: это одиноч-
ные палочковидные или кокковидиые клетки, размножающиеся бинар-
ным пли множественным делением; нитчатые, размножающиеся путем
фрагментации нити на отдельные участки; колониальные, образующие
скопления из отдельных клеток, погруженных в общую многослойную
слизь, или агрегаты из плотных пакетообразпых комплексов клеток.
У нитчатых форм имеется дифференциация клеток. Некоторые из них
превращаются в акинеты — покоящиеся клетки с толстой оболочкой,
другие образуют гетероцисты, несущие функции фиксации молекуляр-
15
кого азота. По гетероцистам нить распадается па фрагменты — гормо-
гонии.
Физиологические особенности синезелепых водорослей проявляют-
ся в сочетании таких процессов, как фотосинтез с выделением кисло-
рода, отсутствие истинного дыхания, способность к азотфиксации и
переключение с фототрофного на гетеротрофный обмен. Среди сине-
зеленых есть крайние термофилы, живущие в местах выхода па по-
верхность земли горячих вод, особенно в местах активной вулканиче-
ской деятельности. Некоторые синезеленые, наоборот, населяют очень
холодные местообитания, развиваются па поверхности льда и снега
в высокогорных районах, образуют налеты на «голых» скалах. В пу-
стынных местах сипезеленые можно встретить в условиях резких коле-
бании суточных температур, при высокой сухости, сильном засолении.
Поэтому можно сказать, что синезеленые часто выступают пионерами
заселения мест с экстремальными для жизни условиями. Многие из
них вступают в ассоциацию с грибами, образуя лишайники. По-види-
мому, сипезеленые водоросли занимают вершинное положение среди
прокариотных организмов и представляют собой узловую группу при
переходе от одноклеточных к многоклеточным формам жизни.
Наиболее примитивны' представители порядка Chroococcales.
Microcystis pulverea (рис. 3), например, образует слизистые бесфор-
менные скопления из очень мелких сферических клеток, виды рода
Gleocapsa имеют более крупные клетки, объединенные по 2 и 4 мно-
гослойными слизистыми капсулами.
Порядок Nostocales, включающий нитчатые формы, представлен
в почве очень широко распространенными видами. Например, Nostoc
commune образует па поверхности почвы крупные, до нескольких сан-
тиметров, тсмпо-оливково-зелепые слизисто-хрящеватые колонии, со-
стоящие из многочисленных нитей, которые беспорядочно расположены
в слизи. Иногда такие колонии почти сплошь покрывают почву, если
для этого имеются подходящие условия (влажной весной в степях и
полупустынях). Этот вид встречается также на севере и в горах Дру-
гой представитель порядка Anabaena variabilis, сходный с видами
Nostoc по строению нитей, отличается от них тем, что нс образует
плотных колоний, хотя несколько нитей могут рыхло объединяться
общей слизью (рис. 3). Этот вид очень часто обнаруживается в поч-
венных культурах.
Члены порядка Oscillatoriales имеют тоже нитчатое строение, но
их талломы лишены гетероцист и спор. Особенно часты в почве пред-
ставители родов Oscillatoria, Lytigbya и Phormidiutn (см. рис. 3...).
Ph. autumnale имеет слизистые влагалища, которые сильно разбухают
во влажной среде, и разрастания этого вида выглядят на почве как
расплывающиеся пленки фиолетового оттенка. Их особенно часто мож-
но встретить па загрязненных почвах. Другие виды этого рода чрез-
вычайно широко распространены в почвах.
16
Рис. 3. Почвенные синсзслсные водоросли (цианобактерии)
I—Microcystis pulverea, 2 —Gleocapsa rninuta, 3 — Anabaena variabilis, 4 —Lyngbya martensiana, 5 —
Tolypothrix tenuis, 6 — Plectonema cdapliicuni, 7 — Nostoc rnicroscopicum
Рис. 4. Почвенные зеленые водоросли
1—Chlainvdomonas ataciogania., 2 — Clilorella vulgaris, 3 — Ankistrodesmus falcatus, 4 —• See-
nedesmus obliquus, 5 — Clostcriurn moniliferurn, 6 — Cosmarium sp„ 7 — Gongrosira terricola,
8 — Ulothrix tenerrima, 9 —Ilormidium nitens, 10 — Microspora turnidula
Зеленые водоросли
Это самый обширный отдел водорослей Chloropiiyta, представите-
ли которого обычны среди почвенной биоты. Они легко узнаются по
чисто-зеленому цвету, хотя не образуют, как синезеленые, больших
поверхностных корочек, пленок и другого типа разрастаний. Их от-
дельные клетки или нитчатые талломы распределяются в верхнем
слое почвенной толщи, и при благоприятных условиях развития при-
дают почве зеленоватый оттенок.
По морфологии клетки и организации таллома зеленые водоросли
очень разнообразны (рис. 4). Одноклеточные формы (порядок Chlo-
rococcales) бывают круглыми, серповидными, веретеновидными; иног-
да они собраны в агрегаты из 3—4 клеток. Одноклеточные жгутиковые
составляют порядок Chlamydomonadales. Их клетки снабжены двумя
жгутиками, но они становятся неподвижными, когда скапливаются
в слизи и образуют пальмелевидную стадию, наиболее характерную
для обитателей почвы. Порядок улотриксовых (Ulotrichales) объеди-
няет преимущественно нитчатые водоросли. Размножаются зеленые
водоросли делением, образованием бесполых спор — неподвижных
(автоспоры) и подвижных (зооспоры). У них есть также половой про-
цесс, заключающийся в конъюгации двух клеток, слиянии их ядер и
последующем образовании половых спор, прорастающих в новые нити.
Желтозеленые водоросли
Водоросли отдела Xanthopiiyta менее разнообразны, но пе менее
многочисленны в почве, чем зеленые. Они часто вызывают «цветение»
на торфе.
Желтозеленые водоросли представлены в почве одноклеточными
и нитчатыми формами, кроме того, хорошо известен один вид с сифо-
нальным строением таллома.
Среди одноклеточных характерны для почв виды родов Pleuro-
chloris, Characiopsis, Buniilleriopsis (рис. 5). Нитчатые желтозеленые
водоросли имеют оболочки, как бы собранные из двух Н-образных
половин, входящих одна в другую. Среди них широко распространены
в почвах представители родов Heterothrix, Tribonetna. Неклеточпое
строение имеет таллом Botrydium granulatum. Эта водоросль дает во
влажные периоды массовые разрастания на поверхности почвы, осо-
бенно на хорошо удобренных грядах. Довольно крупные, размером
с булавочную головку, и хорошо заметные простым глазом шаровид-
ные тела этой водоросли удерживаются на поверхности благодаря
корнеобразным ризоидам (см. рис. 5).
Диатомовые водоросли
Название их — Diatomeae — происходит от латинских слов «di» —
два и «1оша» — делить, т. с. разделенные на два. Это связано со свое-
образным строением их оболочки, которая состоит из двух половин,
вкладывающихся одна в другую наподобие чашек Петри. Между дву-
мя створками их «раковинки», построенной из кремнезема, проходит
19
шов (поясок) с узелками. Через этот шов протопласт может соприка-
саться с субстратом, и клетка передвигается по нему благодаря осо-
бому току протоплазмы. Клеточные оболочки имеют характерный для
каждого вида рисунок, благодаря которому эти водоросли легко иден-
тифицировать. Так как их панцири, пропитанные кремнеземом, сохра-
няются в почве очень долго, то по ним пытаются определить возраст
Рис. 5. Почвенные желтозелепые (1—7) и диатомовые (8—11) водоросли
1 — Plenrochloris magna, 2 — Characiopsis minutissima, 3 — Bumillariopsis brevis, 4—
Botrydiiun granulatum, 5— Heterolhrix exilis, 6 — Tribonema vulgare, 7 — Monodus
acuminata, 8 — Pinnidaria borealis, 9 — Xavicida mutica, 10 — Hantzschia amphioxys,
11 — Nitzschia hantzschiuna
отложений. Хроматофоры диатомей имеют бурый или желтоватый
цвет благодаря высокому содержанию каротиноидов особой группы
кислых ксантофиллов (дпатомии).
Все диатомовые водоросли — одноклеточные формы.
В почве они представлены видами родов Navicula, Pinnularia,
Hanlzschici и Nitzschia (см. рис. 5).
ПОЧВЕННЫЕ ЖИВОТНЫЕ
Создаваемая растениями-продуцентами масса органического веще-
ства поступает в биологический круговорот, отчуждаясь частично непо-
средственно «на корню» животными-фитофагами, которые составляют
20
группу потребителей-консументов, а затем после отмирания включаясь
в цепи питания различных разлагателей-редуцентов, средн которых
животные тоже составляют значительную долю, хотя основные раз-
рушители органического вещества — это грибы и бактерии.
Представления относительно роли почвенных животных в круго-
вороте веществ и почвообразовательных процессах неоднократно меня-
лись. Первое, па что обратили внимание, — механическое воздействие
животных па почву. Ч. Дарвин писал о том, что черви задолго до плу-
га рыхлили землю. Сейчас хорошо известно, что этим далеко не исчер-
пывается воздействие животных на среду обитания. Почвенные живот-
ные оказывают существенное влияние на химизм почв, на образование
гумуса, на структурные свойства, биологическую активность и в целом
на почвенное плодородие.
Животный мир почв, его состав и численность отдельных групп,
роль п значение почвенных животных в природных процессах и в на-
роднохозяйственной практике изучает почвенная зоология.
Особым разделом биологии почв является почвенная протозооло-
гия, изучающая жизнь простейших в почве.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВЕННЫХ ЖИВОТНЫХ
Все животные, обнаруживаемые в почвах, делятся па три группы:
геобиопты — постоянные обитатели почв (например, дождевые черви,
многоножки, ногохвостки); геофилы, живущие в почве лишь на про-
тяжении части жизненного цикла (личинки хрущей, щелкунов) и гео-
ксепы, которые лишь временно укрываются в почве (например, вредная
черепашка, некоторые насекомые). У геобиоитов и геофилов разви-
ваются различные приспособления к почвенной среде обитания. Обще-
биологические адаптации выражаются в особом ритме жизненных
циклов, сроках размножения, миграциях и таксисах. Они присущи
крупным животным. У представителей мезо- и макрофауны наблю-
даются также адаптации морфологического порядка: изменение формы
конечностей, редукция органов зрения, уменьшение размеров тела.
Анатомические адаптации проявляются в строении кутикулярных по-
кровов, органов дыхания и выделения. Физиологические приспособле-
ния, выражающиеся в особенностях обмена веществ, водном обмене и
температурных адаптациях, свойственны главным образом представи-
телям микрофаупы.
Деление на размерные группы (нано-, микро-, мезо- и макро-
фауну) удобно при рассмотрении взаимодействия животных со средой
обитания, т. е. с почвой (рис. 6). Мелкие животные, имеющие микро-
скопические размеры и составляющие основу нано- и микрофаупы, —
это главным образом одноклеточные простейшие, а также коловратки,
нематоды и тихоходки, которые живут большей частью в водной фазе
почвы, в пленках и капиллярах и но сути своей являются не столько
гео-, сколько гидробионтами. Для представителей мезофауны почва
выступает как система влажных камер и пещер. Для их жизни в поч-
ве важны такие свойства субстрата, как .порозность, распределение
мертвых остатков и гумуса. 1\ этой группе относится большинство
21
истинных геобионтов — клещи, 'ногохвостки, мокрицы, многоножки и
насекомые. Для членов макрофауны (земляные черви, некоторые круп-
ные многоножки, насекомоядные и грызуны) почва как среда обитания
представляет собой плотный или рыхлый субстрат, и плотность сло-
Рис. 6. Размерные группы почвенных животных
жения его имеет для них основное значение. Передвигаясь в почвен-
ной толще, они вызывают, в отличие от животных других размерных
групп, резкое перемещение не только частиц почвы, но и целых слоев,
нарушая естественное ее сложение.
Положение отдельных групп почвенных животных в трофических
цепях определяет их участие и роль в превращении веществ, в биоло-
гическом круговороте. По типам питания почвенные животные можно-
разделить на следующие группы.
Фитофаги — питаются тканями корней живых растений, нанося
ущерб сельскому и лесному хозяйству. Например, личинка майского
хруща подгрызает корни молодых сеянцев сосны. Свекловичная нема-
тода внедряется в корни сахарной свеклы и вызывает потери урожая.
Зоофаги питаются другими животными, выступая в роли хищ-
ников или паразитов. Примером могут служить все насекомоядные,
животные, нематоды, поедающие простейших и коловраток, хищные
клещи, питающиеся нематодами, ногохвостками, энхитреидами.
Некрофаги используют в пищу трупы животных. Например,
муравьи-бегунки в пустынях Средней Азии поедают останки насе-
комых.
22
Сапрофаги — наиболее многочисленная и важная по значению
группа почвенных животных. Они перерабатывают мертвые остатки
растений, опад и отпад. К ним относятся черви, многоножки, мокри-
цы, некоторые клещи и личинки насекомых. Эта экологическая груп-
Рис. 7. Детритная цепь
лировка составляет детритные пищевые цепи и представляет наиболь-
ший интерес для изучения ролл животных в преобразовании органи-
ческих веществ в почве (рис. 7).
Вопрос о типе питания и пищевых связях почвенных животных
важен при выявлении среди них индикаторных групп, так как фактор
питания оказывает решающее влияние на распространение. Сущест-
вует корреляция между количеством опада растений, их корней и жи-
вотными в почвенном профиле. Как правило, зоны максимального рас-
пространения корней растений и численность животных близко совпа-
дают. В лесах, где основная масса мертвого органического вещества
сосредоточена на поверхности почвы в виде подстилки, а корни наи-
более густо распределены в нижней части АО и в А1, численность
животных максимальна в самой верхней части профиля, а к 40—50 см
резко падает. В почвах степей на поверхности образуется степной
войлок, который, как правило, сильно иссушается. Основная часть
органического вещества сосредоточена в гумусовом горизонте в виде
корней травянистых растений. Животные здесь представлены главным
образом теми видами, которые живут не в подстилке, а в гумусовом
горизонте почвы (дождевые черви, энхптреиды, клеши, многоножки).
Они проникают также на значительную глубину — до 120 см. Итак,
23
в лесных ландшафтах процессы трансформации органических веществ--
растений протекают па поверхности почвы, а в травянистых они опу-
щены на глубину. М. С. Гиляров разработал метод зоологической диаг-
ностики для дифференциации серых лесных и бурых лесных почв.
В серых лесных почвах под дубравами процессы переработки живот-
Рис. 8. Изменение химического состава почв роющими животными
А — схема перемещения малыми сусликами легкорастворимых солей в
засоленных пустынных почвах (сумма солей в % от всса почвы), Б —
выбросы крота в дерново-подзолистой почве (по Абатурову Б, Д. и
Кузнецову Г. В., 1974)
ними растительных остатков протекают в глубоких минеральных гори-
зонтах; а в буроземах — в подстилке. Соответственно в буроземах
обильны подстилочные сапрофаги, а в серых лесных почвах — земля-
ные черви, которые тоже питаются опадом, по не па поверхности поч-
вы, а затаскивают эти остатки в глубокие норки и подземные храни-
лища; Таким образом, животные выступают в роли агентов формиро-
24
гвания почвенного профиля и в этой роли у них нет дублеров среди
других организмов, населяющих почву.
Животные играют большую роль в перераспределении не только
растительных остатков, но и минеральных солей: вынося на поверх-
ность почву из глубоких слоев, они меняют химический состав поч-
венных горизонтов (рис. 8). В полупустынях численность малого сус-
лика местами так велика, что весь мезо- или микрорельеф там зооген-
ного происхождения. За год животные выносят до 1,5 т/га почвы,
а норы их проникают до глубины 2 м.
В лессовых пустынях, на такырах и по древним террасам рек
Средней Азии, Казахстана и Закавказья живут пустынные мокрицы —
самые многочисленные членистоногие в этих местообитаниях. Они по-
селяются колониями и численность их достигает иногда 800 тыс. осо-
бей на 1 га. Норки их проникают в толщу почвы на глубину до 40—
50, а иногда и до 80 см. Строя норки, мокрицы выносят почву из
глубоких слоев и оставляют ее вместе с экскрементами на поверхности.
В течение лета они мо.гут вынести в расчете на 1 га около 0,5 т почвы
и до 1 т экскрементов с высоки^ содержанием органического веще-
ства. Анализы показали, что почва у порок мокриц богата азотом.
Мокричники заметно выделяются более, густым травяным покровом
и имеют высокую продуктивность. Таким образом, мокрицы в пусты-
не выполняют функцию отсутствующих там дождевых червей. Почво-
образующая деятельность мокриц не раз обращала па себя внимание
почвоведов. Было замечено, что мокрицы, увеличивая пористость поч-
вы, изменяя ее водно-воздушный режим и химический состав, способ-
ствуют переходу лессовых пустынных почв в сероземы, на которых
поселяются кустарники. Мокрицы, таким образом, выступают в роли
пионеров освоения пустынь.
Мокрицы и некоторые другие сапрофаги, например многоножки,
перерабатывая растительные остатки, разлагают клетчатку. Разложе-
ние целлюлозы, по-видимому, осуществляют их микробные симбионты,
живущие в кишечном тракте. Состав симбионтов почвенных животных
изучен пока слабо. У многих представителей симбионтами являются
грибы. Симбионты определяют участие животных в трансформации
органического вещества.
В целом превращение органических веществ в почве проводится
сложным комплексом животных и микроорганизмов, образующих так
называемую детритную цепь (рис. 7).
ЭКОЛОГО-ТАКСОНОМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОЧВЕННОЙ ФАУНЫ
Простейшие
Protozoa — одноклеточные микроскопические животные; это нано-
фауна почвы. Для их активной жизни в почве важнейшее значение
имеет наличие воды в почвенных порах. Встречаются во всех исследо-
ванных почвах. Численность может быть очень высока: до нескольких
сотен тысяч клеток в 1 г почвы. Биомасса в благоприятных условиях
25
(например, в луговых почвах) достигает 300—400 кг/га. Кроме воды
на распределение и численность простейших влияют такие факторы
среды, как аэрация, температура и pH, однако прямую зависимость
в естественных условиях установить трудно. Один из наиболее суще-
ственных факторов — количество бактерий, которыми питаются про-
стейшие. Они поедают также клетки дрожжей и водорослей, проявляя
при этом избирательность в выборе пищи. Есть среди простейших и
сапрофаги. Некоторые питаются осмотрофно. Основная их роль в поч-
ве — участие в разложении органического вещества и хищничество
на микроорганизмах.
Жизнь в почвенных микросредах, где имеется огромное количество
очень тонких капилляров, накладывает отпечаток на морфологию про-
стейших. Их клетки имеют в 5—10 раз более мелкие размеры, чем
у пресноводных или морских обитателей. У некоторых наблюдается
уплощение клетки, отсутствие шипов и выростов, потеря переднего
жгутика. У раковинных корненожек, живущих в почве, упрощенная
форма раковинки и скрытое, либо очень малых размеров, отверстие,
что предотвращает пересыхание. Есть виды, которые встречаются
исключительно в почве. Неблагоприятные переходы одни переживают
в виде цист, другие образуют панцири.
В почве живут представители трех классов простейших: жгутико-
носцы, саркодовые и инфузории.
Жгутиконосцы (Mastigophora, Fiagell.ata) — характеризуются
в первую очередь наличием жгутиков. Среди жгутиконосцев есть виды,
содержащие в клетках пигменты, в том числе хлорофилл, и способные
к фотосинтезу. Это растительные'жгутиконосцы, или фитомастигины.
Их правильнее было бы относить к водорослям. Они занимают проме-
жуточное положение между растениями и животными. Типичный пред-
ставитель — Euglena viridis, эвглена зеленая (рис. 9,7). В почвах
встречаются также зеленые Chlamydomonas, бурые Cryptomonas, жел-
товатые Ochrotnonas (рис. 9,2,3). Некоторые зеленые жгутиконосцы
(представители эвглеиовых) способны менять тип питания, теряя в тем-
ноте хлорофилл и переходя на осмотрофный обмен. Так что их можно
назвать организмами со смешанным типом питания — миксотрофами.
Среди зоомастигии (бесцветных жгутиконосцев) есть сапротрофы и
формы с анимальным (голозойным) типом питания (заглатывание
оформленных частиц). Представители — виды родов Monas, Bodo,
Cercomohas, Oicomonas (рис. 9,4).
Саркодовые (Sarcodina). Среди них в почве обитают пред-
ставители корненожек — голые и раковинные амебы (рис. 9,5—7).
Размеры их больше, чем жгутиконосцев. Некоторые голые амебы до-
стигают 20 мкм, а раковинные от 20 до 65 мкм. Характерная черта
амеб — непостоянная форма тела. Они не имеют жесткой пеллику-
лы — наружной оболочки — и образуют псевдоподии, в которые «пере-
ливается» плазма. Последняя делится на эктоплазму — плотный
наружный слой, лишенный пищеварительных вакуолей, и внутренний —
эндоплазму. В псевдоподии заходят оба слоя. Псевдоподии служат
как для передвижения, так и для «заглатывания» нищи. Натыкаясь
26
Рис. 9. Почвенные простейшие
1—4—жгутиконосцы, 5—7 — саркододые, 8—10 — инфузории
на бактериальную или дрожжевую клетку, амеба обтекает ее и вклю-
чает внутрь цитоплазмы.
Непереваренные остатки через некоторое время выбрасываются
наружу. При питании дрожжами можно видеть, как амебы выбрасы-
вают споры или капельки непереваренного жира.
Кроме бактерий и дрожжей амебы поедают клетки водорослей,
«нападают» на других простейших, главным образом на мелких жгу-
тиконосцев или других корненожек, а также на коловраток. Раковин-
ные амебы (тестациды) преимущественно сапрофаги. Часть их тела
заключена в панцирь, или1 раковину. Через отверстие (устье) псевдо-
подии вытягиваются наружу, а раковина играет защитную роль. Клас-
сификация раковинных амеб основана на строении их панциря, кото-
рый может иметь весьма характерную форму. При делении часть цито-
плазмы выдвигается из устья и покрывается новой раковиной. Туда
же переходит одно из ядер, образовавшихся в результате деления.
Затем новая клетка отшиуровывастся от материнской. Раковинных
корненожек особенно много в болотных почвах. Это характерные чле-
ны биоценоза сфагновых торфяников. Самая высокая численность ра-
ковинных амеб — десятки тысяч в 1 г почвы —- отмечена в кислых
лесных почвах под хвойными лесами, где разложение опада происхо-
дит медленно и образуется грубый гумус типа «мор». Тестациды раз-
виваются в лесу в слое подстилки, а в засоленных почвах — в гори-
зонте В, где концентрация солей относительно низкая. В сукцессиях
простейших они обычно занимают последнее место: жгутиконосцы —
мелкие амебы -> инфузории —>- тестациды. В почве тестациды пред-
ставлены главным образом видами рода Plagiopyxis.
Инфузории (ресничные, Ciliata) — одна из наиболее много-
численных и прогрессирующих групп простейших. В основном инфузо-
рии — обитатели водоемов, и в почве их значительно меньше, чем
других простейших — жгутиконосцев и амеб. Клетки их более круп-
ные, чем амебы и жгутиконосцы, имеют многочисленные реснички,
сгруппированные в продольные, косые или спиральные ряды. С помо-
щью ресничек осуществляется движение, а также подводится нища
к ротовому отверстию — цитостому. Клетка имеет довольно сложное
строение. Снаружи она одета тонкой оболочкой — пелликулой, кото-
рая позволяет сохранять постоянную форму, в отличие от амеб, лишен-
ных пелликулы. Цитоплазма дифференцирована на экто- и эндоплаз-
му; есть два типа ядер — макро- и микронуклеус, их может быть по
нескольку в одной клетке; имеются пищеварительные и сократитель-
ные вакуоли, различные включения. У большинства цилиат хорошо
выражена передняя и задняя часть клетки. Кроме того, у ползающих
форм, различаются спинная и брюшная сторона, а у прикрепленных —
радиальная симметрия.
Почвенные инфузории относятся к подклассам Hololricha (Colpo-
da, Paramaecium-, (рис. 9, 8) с равномерным распределением ресничек
по всей клетке, Spirolricha со спиральными рядами ресничек от задне-
го конца клеток к ротовому отверстию (Stylonichia, рис. 9, Р) и Peri-
tricha, клетки которых поперечно «срезаны» на оральном конце, а ро-
28
товая ямка окружена двумя рядами редуцированных ресничек. Среди
последних есть прикрепленные формы со стебельком, например Vorli-
cella (рис. 9, 10). Всего в почвах Советского Союза обнаружены пред-
ставители 43 родов инфузорий. Специфична нсаммофильная фауна
цилпат, населяющая прибрежные пески. Все они имеют удлиненное
червеобразное тело, часто уплощенное. Ресничный аппарат хорошо раз-
вит, реснички обычно сосредоточены па той стороне, которой клетка
прикрепляется к частичкам песка и удерживается от вымывания при-
ливными водами. Эти инфузории развиваются обильно там, где в по-
верхностных горизонтах много одноклеточных водорослей, которые
служат им пищей.
Черви
Червей (Vermes) делят на низших и высших. Из низших червей
в почве живут коловратки и нематоды (рис. 10). Они относятся к ми-
крофаун с почв.
Коловратки (Rotatoria) — самые мелкие из многоклеточных
животных. Название их связано с наиболее характерным признаком —
наличием коловращагельного аппарата, состоящего из круговых рядов
Рис. 10. Коловратки (1, 2) и нематоды (3, 4)
ресничек на передней части тела. Ресничный аппарат служит для пере-
движения и захвата пищи. При мерцании ресничек коловратки очень
напоминают вращающееся колесо со спицами. По наличию ресничек
и микроскопическим размерам они внешне похожи на некоторых инфу-
зорий. Тело коловраток многоклеточно и расчленено на 4 отдела: голо-
ву, шею, туловище и ногу. Это ложная кольчатость, она не имеет
ничего общего с истинной сегментацией высших червей и членистоно-
гих, поэтому коловраток относят к низшим червям. Большинство коло-
враток — обитатели пресноводных бассейнов, есть и морские коловрат-
ки. Только немногие среди них приспособились к жизни в почве. Они
населяют лесную подстилку, толщу мха, но не проникают обычно
в минеральные горизонты почв. От климатических условий зависят
29
мало и встречаются даже в Антарктиде. Питаются детритом, бактерия-
ми, одноклеточными водорослями; есть хищники, захватывающие про-
стейших и более мелкие виды других коловраток. Основная масса
коловраток — полифаги, т. е. мало ограниченные в выборе пищи, но
есть и монофаги, предпочитающие определенный вид водоросли или
питающиеся только детритом. Некоторые ведут прикрепленный образ
жизни, другие свободно плавают в водных капиллярах и пленках.
Нематоды (Nematoda), или круглые черви, — это второй класс
низших червей, представители которого населяют почву (рис. 10).
Из всех многоклеточных животных, живущих в почве, нематоды наи-
более разнообразны и многочисленны. Их по праву считают господ-
ствующей группой среди многоклеточных почвенных беспозвоночных.
Биомасса нематод в культурных почвах достигает 50 кг/га. В луговых
почвах их насчитывали до 20 млн/м2. По образу жизни, связанному
с типом питания, нематоды составляют ряд от чисто сапробиоптных
форм через полупаразитов до настоящих паразитов растений.
Истинные сапробионты обитают в тех местах, где активно идут
процессы разложения органических веществ, например в навозе, ком-
постах и лесных подстилках. Для них характерна большая плодови-
тость и быстрая смена поколений. Весь цикл развития у них закан-
чивается за 3—5 дней, т. е. в 10 раз быстрее, чем у других почвенных
нематод. Наиболее обычны в почве гемисапробиопты, питающиеся бак-
териями, грибами, дрожжами и мелкими простейшими. В ризосфере
растений обитают нематоды — параризобионты. Благодаря наличию
стилета они протыкают клетки корпя и питаются их содержимым. Они
наносят не столько прямой вред растению, сколько вредят тем, что
открывают ворота для грибной и бактериальной инфекции.
Настоящие фитопаразиты проникают в корни растений, нанося им
механические и химические повреждения. Ранее приводился пример со
свекловичной нематодой, которая снижает урожай сахарной свеклы
на 20—80%. Нематоды-хищники питаются простейшими, коловратка-
ми, тихоходками, другими нематодами и ногохвостками.
Класс нематод в целом характеризуется признаками биологиче-
ского прогресса: их насчитывается огромное число (возможно сотни
тысяч) видов, занимающих всевозможные биотопы н.а планете, все из-
вестные науке местообитания. Нематоды — неотъемлемая часть ком-
плекса всех почвенных биоценозов.
Свободноживущие почвенные нематоды менее чем, например, кле-
щи или ногохвостки участвуют в непосредственном разложении расти-
тельных остатков. Но благодаря тому, что они потребляют в пищу
микробную биомассу с высоким содержанием белка, их выделения
богаты азотом. Биомасса нематод также немаловажный источник азо-
та. Поэтому значение почвенных нематод следует, по-видимому, оце-
нивать с позиций их влияния на баланс азота в почве. Если учесть
при этом их высокую численность, необычайно широкую распростра-
ненность, проникновение во все другие живые организмы как живот-
ных, так и растений, то становится понятной важность проблемы изу-
чения почвенных нематод для народного хозяйства.
30
Высшие черви представлены в почве малощетинковыми коль-
чецами, или олигохетами (Oligochaeta). Главная особенность органи-
зации олигохет — повторяемость органов вдоль оси тела, так назы-
ваемая метамерия.' Все червеобразное тело состоит как бы из отдель-
ных колец, называемых сегментами, или члениками, число которых
колеблется от 5 до 500. Каждый членик несет по 4 лучка щетинок;
имеются виды только с брюшными щетинками или совсем без них.
У большинства дождевых червей в каждом пучке по 2 одинаковые
щетинки. Среди олигохет наибольшее значение для почв имеют эихи-
треиды и земляные, или дождевые, черви.
Энхитреиды относятся к мезофауне почвы (рис. И). Их раз-
меры — от 2—3 до 40—45 мм в длину при толщине 0,2—0,8 мм. Наи-
более мелкие из них пользуются для перемещения в почве системой
естественных пор и каналов, другие могут активно прокладывать ходы
сквозь почву, пробуравливая ее и «проедая»
себе путь. Поглощаемая при этом почва
смешивается в кишечнике с органическими
и минеральными веществами, а затем выб-
расывается в виде специфических образо-
ваний -— копролитов, которые особенно ха-
рактерны для дождевых червей. Плотность
популяций энхитреид составляет в поч-
вах луговых угодий до 120 тыс/м2, а био-
масса — до 50 кг/га. Распространены
Рис. 11. Почвенный червь се-
мейства энхитреид — Enchy-
traeus albidus
энхитреиды преимущественно в северном полушарии, в умеренной- и
субарктической зонах. Их находили на островах Шпицбергена, Новой
Земли и в Гренландии. В горах расселяются до высоты 3—4 тыс. м
над ур. м. Некоторые виды продолжительное время выдерживают тем-
пературы ниже нуля и их находят даже в мерзлом грунте в жизне-
способном состоянии. Но при этом энхитреиды очень чувствительны
к засухе и высоким температурам. Они активны в постоянно влажной
среде, но избегают переувлажненных почв, где мало кислорода. Перед
началом засушливого периода черви откладывают яйца д коконах или
отдельные. Основная масса червей сосредоточена в верхнем корнеоби-
таемом слое почвы, так как главная их пища — отмирающие корни.
Иногда они выгрызают участки корня, зараженные нематодами. Обиль-
ны они й в лесных подстилках, там, где есть сырой гумус типа «мор».
Этим они отличаются от дождевых червей.
Дождевые черви, или люмбрпциды (Lumbricidae), — наибо-
лее хорошо известные и изученные почвенные беспозвоночные. Все
дождевые черви — обитатели почв. В сырую погоду, когда их норки
заливаются водой, они в большом количестве выползают па поверх-
ность, за что и получили народное название «выползков». Прямой сол-
нечный свет вызывает у дождевых червей отрицательную реакцию,
поэтому они кормятся главным образом по ночам, вылезая из порок
не полностью, а обычно цепляясь за нее хвостом, чтобы в случае опас-
ности можно было быстро скрыться. Обшаривая пространство вокруг
норки, черви собирают сырые листья, травинки, частицы перегноя и
31
Нейвы. Все это измельчается и перерабатывается в кишечном тракте,
а затем выбрасывается на поверхность характерными кучками копро-
литов. Содержание гумуса и кальция в копролитах почти в 2 раза
больше, чем в окружающей почве, а их водопрочность на 40% выше.
Численность дождевых червей может достигать 7,5 млн. особей на
1 га, на сенокосах и пастбищах — до 12 млн./га, а биомасса — от
500 кг и до 4 т/га. Они осуществляют минерализацию азотсодержа-
щих органических соединений вплоть до образования аммиака за счет
живущих в их кишечнике аммонифицирующих микроорганизмов.
Влияние деятельности дождевых червей на почву многообразно.
Прокладывая глубокие ходы (иногда на глубину до 2 м и более), они'
увеличивают ее скважность, облегчают проникновение воды, воздуха
и корней растении. Под I м2 поверхности почвы общая длина ходов
червей превышает 1 км, а иногда достигает 8 км. Черви перемешают
почву, вынося часть ее на поверхность из нижних горизонтов и затас-
кивая вглубь растительный материал из подстилки. Под влиянием
червей изменяется и химический состав почвы. Вырабатываемый спе-
циальными железами углекислый кальций нейтрализует кислоты, по-
этому копролиты всегда имеют более высокое значение pH, чем почва.
В них обильно развиваются бактерии, так что копролиты — это цент-
ры формирования специфических микробных сообществ. Внутренние
поверхности ходов червей покрыты специальными выделениями, при-
дающими им прочность. Рост корней по этим ходам особенно облег-
чается в плотных глинистых горизонтах. При наличии ходов червей
корпи проникают значительно глубже, чем без них.
Свою знаменитую книгу о роли дождевых червей в образовании
плодородного слоя земли Ч. Дарвин заключил словами: «Плуг при-
надлежит к числу древнейших и имеющих наибольшее значение изо-
бретений человека; но еще задолго до его изобретения почва правиль-
но обрабатывалась червями и всегда будет обрабатываться ими. Весь-
ма сомнительно, чтобы нашлись еще другие животные, которые
в истории земной коры заняли бы столь видное место».
Известно около 200 видов люмбрнцид. Из них наиболее обычны
для средних шпрот малый красный червь, или малый выползок -
Lutnbricus rubellus и большой выползок — L. ter rest г is. Они разли-
чаются тем, что первый в 2 раза мельче и более ярко окрашен, имеет
вишнево-красный цвет. Второй же довольно крупный, достигает более
25 см в длину. Они имеют уплощенный и расширенный («лопатообраз-
ный») хвост. Нора большого выползка уходит вглубь на 2 м и более,
малый выползок живо г в поверхностных горизонтах, а в лесах — в под-
стилке. Самый распространенный на территории СССР вид — Aliolo-
bosphora caligiiiosa — живет обычно в распаханных почвах, поэтому
его народное название — пашенный червь. Он серой окраски и имеет
размеры около 15 см. Хвост его по имеет расширения, как у двух преды-
дущих. Этот червь редко выползает на поверхность почвы, а живет
на глубине 10—15 см, где питается перегнившими остатками и гуму-
•сом; в сухую погоду мигрирует глубже, до 0,5 м и более, там строит
капсулу и временно впадает в спячку (диапауза). Некоторые виды
32
земляных червей имеют необычно крупные размеры. На Алтае изве-
стен червь Alloloaphora magnifica, достигающий 30—40 см в длину,
в Крыму п на Кавказе — Dendrobaeria inariupoliensis — до 35 см.
Ходы этих червей проникают на глубину 4—5 м, а в редких случаях —
до 8 м. Самые большие размеры имеет Megascolides australis, оби-
тающий в Австралии. Он достигает длины 2,5—3 м и похож на круп-
ную змею (рис. 12). Выбросы таких червей похожи на башенки 20—
Рис. 12. Соотношение размеров дождевых червей
1 — Megascolides australis, 2 — Allolobophora magnifica, 3 — Lum-
bricus terrestris, 4 — L. rubelltis
25 см высотой. Для навозных и компостных куч характерен еще один
вид земляных червей — Eisenia foetida, отличающийся наиболее яркой
красной окраской и неприятным запахом. Этот вид имеет короткий
цикл развития и размножается в кучах компоста и в парниках почти
круглый год без диапаузы. Численность его достигает 1000 особей и
более на 1 м2.
Распространение дождевых червей связано с климатическими фак-
торами и типом почв. Важным условием является влажность, при
засухе черви обычно погибают в массовом количестве. Ранние замо-
розки тоже вызывают их гибель. Плохо они переносят и высокие тем-
пературы. Наименьшая численность дождевых червей отмечается в кис-
лых почвах. Известкование дерново-подзолистых почв приводит к зна-
чительному увеличению развития в них червей. Дождевыми червями
питаются птицы, землеройки, кроты, а также жужелицы и другие мно-
гоножки. В перегнойных почвах с нейтральной реакцией кроты, напри-
мер, питаются почти исключительно дождевыми червями.
Отрицательное значение дождевых червей проявляется в том, что
их крупные представители могут нарушать прочность грунта под по-
2 Бию-тогня почт
33
стройками, в некоторых условиях они портят посевы, повреждая листья
всходов, а также они являются промежуточными хозяевами других
червей — паразитов сельскохозяйственных животных.
Моллюски
Mollusca — мягкотелые — представлены среди почвенной биоты
брюхоногими, или гастроподами. К ним относятся улитки и слизни.
Тело моллюска состоит из головы, туловища, мускулистой ноги и ра-
ковины. У слизней раковина редуцирована (рис. 13).
Моллюски в большинстве своем — водные обитатели. К наземно-
му образу жизни приспособились так называемые легочные улитки —
группа моллюсков, уклонившаяся в процессе эволюции от общего ство-
ла брюхоногих. В фауне нашей страны их насчитывается около 700
Рис. 13. Моллюски
I — улитка Helix vulgaris, 2 — слизень Arion empiricorum
видов. Улитки переносят неблагоприятные условия — холод, жару,,
сухость — благодаря наличию раковины, а безраковинные голые слиз-
ни в летний зной или зимние холода прячутся под слоями лесной под-
стилки или забираются глубоко в почву. Все легочные улитки пере-
двигаются по типу скольжения на подошве ноги, в передней части
которой есть железа, выделяющая слизь. Среди легочных улиток есть
растительноядные и хищники, питающиеся другими улитками или чер-
вями. Наиболее известна среди наземных моллюсков виноградная
улитка Helix pomatia. Общая продолжительность ее жизни 6—7 лет.
Зиму она переносит, впадая в спячку в ямках, выкопанных в почве.
В почву откладывает и оплодотворенные яйца. Это наиболее крупная
улитка, высота раковины которой достигает 45—50 мм. Размножаясь
в больших количествах, она иногда наносит вред виноградникам, так
как главную пищу ее составляют зеленые части растений. Среди ули-
ток есть сухоустойчивые виды, населяющие южные районы. Они живут
в сухих степях, в полупустынях и даже в пустынях. При особенно
сильном недостатке влаги они впадают в спячку. Некоторые виды
эндемичны для горных районов и не встречаются в других местах.
В ряде случаев они так обильны, что поверхность почвы и кустики
34
трав буквально бывают усеяны ракушками улиток (например, на серо-
коричневых почвах в горах Восточного Кавказа, в Азербайджане —
в Талышских горах). Обычно у таких--улиток раковинки имеют белый
цвет, что способствует отражению солнечных лучей. Для лесов Даль-
него Востока наиболее характерны виды улиток крупных размеров.
Особую группу наземных моллюсков составляют голые слизни. Их
раковина нацело обрастает мантией и становится рудиментарной,
а у некоторых исчезает полностью. Слизни живут в тех местах, где
достаточно влажно, они не встречаются в степях и пустынях. На север
распространяются далеко, проникая и в тундру. Но главная зона их
расселения — лесная. В горах они доходят до зоны вечных снегов.
Пищей слизней служит свежеопавшая листва, отмершие травы. Слиз-
ни нападают и на живые растения, но обычно только при недостатке
другой пищи. Слизни — типичные пожиратели отмерших тканей. Неко-
торые из них питаются другими слизнями, червями и сороконожками.
При этом в «погоне» за червями они могут проникать глубоко в почву.
Наиболее распространенный в СССР и Западной Европе вит — полевой
слизень Agriolimax agrestis. Весной он нападает на всходы зерновых или
на огородные растения и в годы массового размножения наносит значи-
тельный ущерб хозяйству. Есть виды, наносящие вред всходам дре-
весных пород, например большой слизень Litnax mqximus. Среди слиз-
ней есть и безвредные виды, которые питаются водорослями, лишай-
никами или грибами, как обычный в наших лесах Arion subfuscus.
Некоторые слизни достигают крупных размеров. Черный слизень,
встречающийся на Кавказе, имеет в вытянутом состоянии длину 15 см.
Наземные улитки имеют много врагов среди других животных.
Ими питаются насекомоядные и мыши, птицы и пресмыкающиеся, на-
секомые и земноводные. Некоторые моллюски использует в пищу и
человек. Улитки и слизни могут быть промежуточными хозяевами
опасных для птиц и млекопитающих гельминтов, например нематод,
паразитирующих в легких у копытных.
Членистоногие
Arthropoda — очень многочисленная и чрезвычайно разнообразная
группа животных, составляющая высший отдел беспозвоночных. Среди
них есть представители микро-,' мезо- и макрофауны.
К микрофауне относятся тихоходки, клещи и ногохвостки.
Тихоходки — (Tardigrada) — небольшая группа мелких бес-
позвоночных неясного систематического положения. По некоторым
признакам их сближают с членистоногими, по другим их выводят от
кольчатых червей. Есть у них сходство и с личинками некоторых на-
секомых. Самые крупные виды не превышают 1 мм, а большинство
имеет тело размером в доли миллиметра. Передвигаются метленно и
неуклюже, за что и получили название «медвежаток». Некоторые виды
похожи на микроскопических кротов и броненосцев (рис. 14, /, 2).
Тело короткое, без заметных члеников, покрыто тонкой кутикулой.
Имеют четыре пары коротких ног в виде мускулистых бугорков с по-
движными коготками. В ротовой полости у тихоходок есть хитиновые
о*
35
Рис. 14. Тихоходки (I, 2), ногохвост-
ка (3) и панцирные клещи (4, 5)
стилеты, которыми они протыкают ткани растений и высасывают со-
держимое живых клеток. Некоторые из них нападают на нематод и
коловраток. Живут тихоходки во влажных мхах, на лишайниках, в лес-
ной подстилке. Хотя их относят к гидробионтной микрофауне, они
хорошо переносят высыхание, пе те-
ряя жизнеспособности в высушенном
состоянии до двух лет. Они очень ус-
тойчивы и к другим факторам — вы-
соким и низким температурам, газо-
вому составу воздуха и т. д. Встреча-
ются от тропиков до полярных райо-
нов, живут и в высокогорьях, там, где
есть куртины мха и лишайниковые
корочки. Наиболее известны предста-
вители родов Macrob lotus, Hypsibius и
Echiniscus.
Н о г о х в о с т к и, или к о л л е м-
болы (Collembola) — низшие беск-
рылые насекомые и п а и и и р н ы с-
клещи — ори бати ды (Oribatei)
составляют почвенную аэробионтную
микрофауну (рис. 14, 3—4). Их сум-
марная биомасса оценивается в
1—2 кг/га, т. е. значительно меньше,
чем биомасса гидробионтной части
микрофауны — нематод и коловраток.
Большое влияние на численность этих
животных в почве оказывает воздуш-
ный режим, связанный со скважно-
стью почв: в песчаных их обыч-
но больше, чем в глинистых, на паст-
бищах они сосредоточены в самом
верхнем горизонте, а на пашне прони-
кают на всю глубину пахотного слоя.
Ногохвостки — примитивные насекомые, образ жизни которых тес-
но связан с почвой. Для них характерны мелкие размеры, тонкие на-
ружные покровы и для многих — развитие на брюшке двигательных
придатков. Их основное местообитание — лесная подстилка. Основная
группировка ногохвосток представлена сапробпонтными видами, кото-
рые питаются мертвыми растительными тканями вместе с бактериями
и грибным мицелием. Они участвуют в разложении растительных
остатков и имеют большое значение для круговорота веществ в почве.
Орибатиды — самая обширная группа панцирных клещей, глав-
ной особенностью которых является наличие у них твердого панциря
и трахей, благодаря чему эти беспозвоночные очень устойчивы к раз-
ным неблагоприятным факторам среды. Это обеспечивает им широкое
расселение и очень высокое видовое разнообразие. Орибатиды встре-
чаются в почвах всех климатических поясов. Наиболее многочисленны
36
они, как и ногохвостки, в почвах влажных лесов, где они сосредото-
чены в слое подстилки.
Клещи и ногохвостки включаются в экологические группы хищ-
ников, сапробионтов и растительноядных животных. Клещи-хищники
питаются ногохвостками, другими клещами, нематодами, энхитреида-
мп и мелкими личинками насекомых. Среди панцирных клещей есть
виды, питающиеся гифами грибов, клетками дрожжей, спорами, пыль-
цой цветков, лишайниками и водорослями. Конечности некоторых кле-
щей обрастают грибным мицелием. Общая численность клещей и ного-
хвосток в почве обычно повышается в присутствии крупных беспозво-
ночных, перерабатывающих опад (например, дождевых червей).
Все другие группы членистоногих — пауки, мокрицы, многоножки
и насекомые — относятся к мезофауие почвы.
Пауки (Aranci) — это исключительно наземные беспозвоночные.
Их насчитывают огромное число видов — более 20 тыс. Живут на
всех континентах и островах, в горах и долинах, в пустынях и лесах.
По особенно многочисленны они в тропиках. В Бразилии, например,
известно 2500 видов, а в Гренландии всего 50. В наших лесах насчи-
тывается до 1000 видов. В некоторых местах их бывает до 100 особей
на 1 м2. Пауки более многочисленны в почвах пастбищных угодий, чем
в пахотных землях. После обработки почвы она вновь заселяется теми
видами пауков, которые переносятся по воздуху. Известно, что молодь
некоторых пауков легко расселяется на значительные расстояния бла-
годаря псрсносз их на паутинках ветром.
Пауки, живущие в почве, строят разного типа убежища: от про-
стых углублений до сложно устроенных глубоких нор, стенки которых
выстилают паутиной. Над входом сооружаются разные паутинные над-
стройки, воронки, трубки, крышечки.
Южнорусский тарантул Lycosa singoriensis распространен в пу-
стынной, степной и лесостепной зонах. Это крупный паук длиной до
35 мм. Он строит вертикальные норки глубиной от 30 см до 1 м
в местах с высоким стоянием грунтовых вод. Поэтому в пустынях
норы тарантула служат индикаторами на воду. Вблизи нор обычно
растет трава-солянка, по которой эти норы можно обнаружить.
Мокрицы и многоножки обитают главным образом в лесах,
реже на лугах и еще меньше их в пахотных почвах. Хотя главное
местообитание мокриц — лесная подстилка, по есть среди них и оби-
татели пустынь. Мокрицы и некоторые двупарноногпе многоножки
(кивсяки) относятся к сапрофагам. Роль их сходна с ролью дождевых
червей: прокладывая ходы в почве, они улучшают ее порозность, уве-
личивают аэрацию, производят первичную переработку мертвого
растительного материала. Экскременты многоножек сходны с копро-
литами дождевых червей. Губоногие многоножки, например костянки,
в противоположность мокрицам и кивсякам не относятся к роющим
животным, они держатся па поверхности почвы или под камнями. Зем-
лянки живут в почве, они хищники и питаются мелкими дождевыми
червями, эихитреидамн и личинками насекомых. Их самих поедают
кроты и мыши, личинки жужелиц.
37
Все многоножки — наземные животные, и все они ведут скрытый
образ жизни, большую часть времени прячась в почвенных порках
или пот; опавшими листьями. Среди них есть очень мелкие виды, всего
1,5—2 мм длиной, а самые крупные геофилы и сколопендры достигают
размеров 10—15 см. В таксономическом отношении многоножки со-
ставляют класс членистоногих беспозвоночных Myriapoda. Их тело
разделяется только па 2 отдела — голову и длинное туловище, почти
Рис. 15. Почвенные членистоногие
1 — геофил, 2 — мокрица, 3 — кивсяк, 4 — мухоловка
каждый членик которого снабжен конечностями (рис. 15). Наиболее
многочисленны и разнообразны двупарноногие (Diplopoda). К ним
относятся широко распространенные кивсяки, выделяющие ядовитые
жидкости со свойствами красителей. Среди ядов присутствует синиль-
ная кислота. К двупарноногим тысяченожкам принадлежат и броне-
носцы, внешне очень похожие на мокриц из-за наличия у них на теле
спинных щитков. У губоногих многоножек (Chilopoda) передняя пара
йог преобразована в органы, подобные челюстям, так как эти живот-
ные ведут хищный образ жизни. Ногочелюсти служат для нападения
Я и защиты: в них есть ядовитые железы, яд которых убивает жертву.
Представители губоногих — геофилы, сколопендры, костянки, мухо-
ловки (рис. 15).
Насекомые (Insecta или Hexapoda) —- класс наземных члени-
стоногих, имеющих 3 пары ног и тело, расчлененное на голову, грудь
и брюшко. Дышат они с помощью трахей или через всю поверхность
тела. Насекомые — чрезвычайно разнообразная группа. Они состав-
38
ляют около 70% всех видов животных. Некоторые ученые считают, что
на земном шаре обитает более 2 млн. видов насекомых. Многие пред-
ставители насекомых — одни во взрослом состоянии, другие в стадии
личинок — живут в почвах (рис. 16). Некоторые насекомые исполь-
зуют почву для построения в ней своих гнезд. Если взрослые насеко-
мые живут постоянно в почве, то у них наблюдаются приспособления,
выражающиеся в морфологии и поведении. У медведок, например, раз-
Рис. 16. Насекомые
1—личинка жужелицы, 2 — личинка щелкуна, 3 — личинка хруща, 4— мед-
ведка, 5 — пустынный муравей-бегунок, 6 — жук-навозник
виваются роющие конечности с лопатообразными расширениями голе-
ней. У священного скарабея происходит расширение и уплощение
головы.
Для связанных с почвой насекомых характерно так называемое
прямое развитие, когда из яйца выходит молодой организм, очень похо-
жий на взрослый, и его дальнейшее развитие пе сопровождается суще-
ственными изменениями строения. У насекомых с полным превраще-
нием в почве живут личинки, сходные по строению с червями. Пере-
ход от личинки к взрослому состоянию связан со стадией куколки.
Рост сопровождается линьками. Приспособление к изменяющимся
условиям выражается у насекомых в наличии диапаузы — временной
остановки развития и перехода в состояние глубокого покоя. Насеко-
мые очень плодовиты. Например, в годы массового размножения луго-
вого мотылька в почву уходит для окукливания до 200—300 гусениц
на 1 м2.
Насекомые оказывают разнообразное влияние на почву. Личинки
многих насекомых ведут себя как дождевые черви. Наибольшее значе-
ние имеют личинки жесткокрылых и двукрылых: проволочники — ли-
чинки щелкунов, безногие личинки долгоносиков, длинноусых и мух.
В почве живут личинки некоторых бабочек и пилильщиков. Одни ведут
хищный образ жизни, другие — сапрофаги. Проволочники и личинки
39
хрущей исключительно устойчивы к высоким концентрациям СОг, за
счет чего они переносят затопление. У личинок хрущей проявляется
хемотаксис по отношению к СО2, выделяемой корнями растений, кото-
рые они и поражают. Велика роющая деятельность муравьев. Еще
в 1903 г. II. А. Димо писал, что муравьи могут перевернуть почвенный
слой до 15 см в течение 8—10 лет. В Бразилии в некоторых скотовод-
ческих районах долины Амазонки почва выглядит так, как будто бы
ее всю перерыли. Это делают многочисленные в тех местах муравьи.
Богата фауна муравьев в пустынях Средней Азии, Малой Азии, Се-
верной Африки. Очень распространен там песчаный бегунок (Caiaghj-
phis aenescens). Он живет в песке семьями по 100—130 особей. При
строительстве гнезда почва выносится наружу. Вход окружен валиком
и напоминает миниатюрный кратер вулкана. Типичные места обитания
бегунков — глинистые лессовые пустыни. Бегунков можно встретить
также в безжизненной каменистой пустыне, на совершенно голых та-
кырах. К последним тяготеет черный бегунок (Caiaglyphis niger),
который питается погибшими насекомыми, приносимыми ветром из
окру ж а ю ще й пусты н и.
Муравьи-листорезы, занимающие большие территории в Централь-
ной и Южной Америке, могут в течение немногих часов одной коло-
нией полностью лишить дерево листвы и перенести ее всю в почву
в свое гнездо. Их подземные жилища имеют объем небольшой хижи-
ны, а холмы вынутой земли достигают иногда десятков метров в длину
и около полуметра в высоту.
Термиты не только перекапывают почву, оказывая на нее механи-
ческое воздействие, но влияют и на химический состав, температуру,
капиллярность и передвижение солей. Они играют определенную роль
в образовании солончаков. Сброшенные термитами после лета крылья
увеличивают содержание в почве азота. Н. А. Димо отмечал, что на
образованных термитами холмиках в полупустынях Средней Азии
в сухие годы ранее всего погибает весенняя растительность, а в засо-
ленных районах Голодной степи эти холмики весной выделяются густы-
ми куртинами зеленых всходов. В тропических лесах термиты высту-
пают как главные разрушители отмирающей древесины.
Жуки-навозники выполняют санитарные функции, уничтожая по-
мет животных н закапывая его в почву. В Австралии, где раньше, до
переселения туда европейцев, не было копытных млекопитающих,
местная фауна не была приспособлена к питанию навозом. Накапли-
ваясь в огромных количествах и а поверхности почвы, экскременты
травоядных затрудняют рост травы и снижают производительность
пастбищ. После интродукции навозников (Onihophagus gazella) из
Африки эти жуки быстро расселились на северо-востоке Австралии и
стали производить биологическую мелиорацию. Это один из ярких
примеров направленного использования достижений экологии для прак-
тических целей, для повышения биологической активности почвы и
продуктивности биогеоценозов.
Позвоночные животные представлены в почвенной фауне млеко-
питающими.
40
Млекопитающие
Из млекопитающих (Mammalia) непосредственно связаны с поч-
вой насекомоядные (Inscctivora) и грызуны (Rodentia). Основная
функция млекопитающих в наземных биогеоценозах — переработка
первичного органического вещества, созданного растениями, и образо-
вание вторичной продукции, которая поступает в цепи питания. Кроме
того, они оказывают механическое воздействие на окружающую среду,
влияют на продуктивность растений и участвуют в частичной мине-
рализации органических веществ. Все они относятся к макрофауне, и
их передвижение в почве связано со значительным перемещением поч-
венной массы.
Грызуны (мыши, хомяки, полевки, сурки, суслики, слепцы, сле-
пушонки, тушканчики, песчанки, пескорои, землекопы, пищухи) отно-
сятся к фитофагам. Они населяют все материки, кроме Антарктиды.
Грызуны объединяют более трети всех млекопитающих. Они питаются
семенами разных растений, частями их стеблей, корневищами, луко-
вицами, некоторые — грибами. Многие из них делают подземные за-
пасы. Часть съеденного корма животные возвращают в виде непере-
варенных остатков в окружающую среду. Эта часть составляет от 12
у суслика до 25% У хомяка. Во вторичную продукцию превращается
лишь небольшая доля поедаемого растительного корма, приблизитель-
но 5%.
Численность грызунов в некоторых районах достигает значитель-
ных величин. Среди млекопитающих пустыни, например, они состав-
ляют половину всех особей. В Алайской долине сурки местами зани-
мают до 6% поверхности почвы. Холм (сурчина) над норкой сибирско-
го сурка Marmota bobac sibirica имеет в поперечнике от 8 до 18 м
и высоту около 1 м. Протяженность норы — до 60 м. Далеко не так
велика деятельность тушканчиков, песчанок и сусликов, как землеко-
пов, ио из-за количественного преобладания в наших пустынях роль
их может быть очень большой. От мочи этих животных увеличивается
щелочность поверхностных слоев почвы; в самих ходах грызунов почва
всегда богаче растворимыми солями, особенно бикарбонатами. Ранее
приводились примеры влияния роющих грызунов на солевой состав
верхних горизонтов почв (см. рис. 8). В лесных и луговых почвах
норы животных влияют на характер увлажнения: они способствуют
быстрому перемещению влаги после дождя из верхних слоев в ниж-
ние горизонты. По норам сусликов в полупустыне северной части При-
каспийской низменности почва увлажняется весной на глубину до
1,5 м, тогда как без нор — не глубже 50 см. Почвы, перерытые степ-
ными .пеструшками, лучше сохраняют влагу от непродуктивного физи-
ческого испарения благодаря нарушению капиллярной системы.
Насекомоядные позвоночные (кроты, ежи, землеройки) оказывают
на почву сходное с грызунами действие. Известно явление так назы-
ваемого «кротового дренажа». Крот европейский, или обыкновенный
(Talpa europea), — типичный обитатель лиственных лесов и речных
долин. В сухих степях встречается редко, а в полупустынях, пустынях
41
и в тундре не встречается. В рыхлой и влажной лесной почве крот
прокладывает горизонтальные ходы на глубине 2—5 см, в более сухой
почве — на глубине 10—50 см. Избыток земли крот выбрасывает
в виде небольших кучек-кротовин. В норах-ходах крот проводит всю
жизнь, не выходя на поверхность. Питаются кроты почвенными беспо-
звоночными, главным образом дождевыми червями, а также насеко-
мыми и их личинками. Очень много вредных насекомых уничтожают
землеройки, часто поселяющиеся в старых кротовых порах или под
кучами валежника. Ежи поедают жужелиц, жуков-навозпиков, майских
хрущей, гусениц непарного шелкопряда, муравьев. Сами насекомояд-
ные служат пищей для многих хищников.
ПОЧВЕННЫЕ ГРИБЫ
Грибы — низшие эукариотические организмы, не образующие тка-
ней, иногда одноклеточные или ценоцитного строения, с осмотрофным
типом питания. Они составляют особое царство живой природы —
Mycota. Данные палеонтологии свидетельствуют о том, что грибы воз-
никли раньше, чем произошло разделение животных и растений в са-
мостоятельные эволюционные линии. Раньше грибы относили к расти-
тельному царству, выделяя вместе с водорослями в группу низших
(споровых) растений. Некоторые признаки грибов придают им черты
сходства с растениями: полярность клетки, неограниченный верхушеч-
ный (апикальный) рост; наличие ригидной клеточной стенки, вакуолей,
поперечных перегородок. Наряду с этим у грибов есть признаки, общие
с животными: гетеротрофный тип питания, потребность в витаминах;
наличие хитина, а не целлюлозы в клеточной стенке; образование моче-
вины в процессе азотного обмена; синтез гликогена, а не крахмала
в качестве резервного углеводного соединения.
У грибов есть и особые признаки, присущие только этим организ-
мам, что позволяет выделять их в самостоятельное царство живой
природы. Грибы имеют мицелиальное строение, обеспечивающее им
абсорбционный (осмотрофный) способ питания. Ядериые циклы грибов
своеобразны и сложны. У них наблюдается явление гетерокариозиса
(разнокачествениость ядер в одной клетке) и дикариозиса (длитель-
ное существование в одной клетке двух ядер, одновременно делящихся
и имитирующих диплоидное ядро).
Грибы делят на макро- и микромицеты. У первых образуются, круп-
ные плодовые тела, у вторых они отсутствуют, и весь жизненный цикл
у них представлен микроскопическими структурами. Основная вегета-
тивная структура — гифа; совокупность гиф образует мицелий, или
грибницу. Гифы имеют нитевидное строение и разделены или не раз-
делены поперечными перегородками — септами. По этому признаку
грибы делят на низшие (несептированные) и высшие (септированные).
У высших грибов перегородки бывают с простыми или сложными от-
верстиями-порами.
Грибы в природе распространены повсеместно. Практически их
споры можно обнаружить на любых естественных субстратах, искус-
42
ственных материалах и на продуктах. Среди них есть, паразиты, хищ-
ники и сапротрофы, развивающиеся на мертвых остатках. Грибы могут
быть причиной порчи многих пищевых продуктов, зерна, картофеля,
а также деревянных и других сооружений, вплоть до стекла. Среди
грибов есть возбудители опасных болезней человека, животных и ра-
стений. Они могут быть причиной токсикоза почв.
В наземных биогеоценозах основная масса грибов обитает в почве,
где их мицелий достигает общей длины 700 — 1000 м в 1 г почвы. Как
экологическая группировка, грибы — это типичные редуценты, раз-
лагатели органических веществ. Грибы синтезируют внеклеточные
гидролитические ферменты, что обеспечивает возможность их питания
такими сложными компонентами растительных тканей, как пектин, цел-
люлоза и даже лигнин. За сутки они разлагают в 2—7 раз больше
органического вещества, чем потребляют. Этим они отличаются от кон-
сументов. В почвах биомасса грибов зачастую превышает бакте-
риальную.
Царство Mycota объединяет собственно грибы — Eumycota и сли-
зевики — Myxomycota. Слизевики, или миксомицеты, — сравнительно
небольшая и очень своеобразная группа организмов, вегетативное тело
которых представлено голой плазменной массой, плазмодием. Плаз-
модий бывает разной величины: от микроскопических размеров до не-
скольких сантиметров в диаметре, а гигантские формы достигают
25 см. Плазмодий содержит большое количество ядер. Обладая отри-
цательным фототаксисом и положительным гидротаксисом, он пере-
ползает в темные влажные места (под кору деревьев, в трещины пней),
где питается, как амеба, бактериями и растет. В какой-то момент
развития таксисы меняются на противоположные и тогда плазмодий
выползает на сухие освещенные места, где его можно увидеть в виде
слизистой массы желтого, белого, оранжевого или красного цвета.
Здесь в течение нескольких часов происходит преобразование слизи-
стой массы в спорангии разнообразной формы: в виде шариков на
ножках, крошечных перышек, горошинок. Размножаются миксомицеты
спорами, которые в большом числе образуются внутри спорангиев.
Споры прорастают либо подвижными зооспорами с двумя жгутиками
(в жидкой среде), либо миксамебами (на влажной твердой среде). Те
и другие активно передвигаются и делятся, затем сливаются, образуя
новый плазмодий (рис. 17). Среди миксомицетов есть сапрофитные
формы и внутриклеточные паразиты растений, вызывающие такие за-
болевания, как кила капусты, парша картофеля.
Истинные грибы делят на 4 основных класса, различия между
которыми приведены на рис. 18. К низшим грибам с неклеточным, це-
ноцитным, мицелием без перегородок относится один класс — Zygo-
mycetes. Это небольшой по объему класс, насчитывающий всего около
500 видов, в то время как общее число видов грибов, описанных
к настоящему времени, оценивается разными исследователями от 100
до 250 тыс. На мицелии зигомицетов развиваются спорангии — особые
вместилища бесполых спор, которые высыпаются при вскрытии спо-
рангия и, прорастая, дают начало разнокачественным мицелиям. Эти
43
К/1ОССЫ
Zygomycetes
Ascomycetes
Basidiomycetes
Deuteromycetes
Рис. 17. Цикл развития миксомицета
Рис. 18. Дифференцирующие признаки классов грибов
Рис. 20. Спорангии представителей разных родов зигомицстов
1 — Rhizopus, 2 — Zygorhynchus, 3 — Phycomyces
мицелии морфологически не различаются, ио они имеют разную поло
вую тенденцию (плюс и минус мицелий). При половом процессе сли-
ваются кончики гиф разных мицелиев и из продукта слияния — зиго-
ты — формируется толстостенная покоящаяся зигоспора (рис. 19).
Важнейшие представители этого класса — мукоровые и эйтомофторо-
вые. Первые — типичные почвенные сапротрофы, вторые — паразиты
насекомых. Мукоровые грибы обильно развиваются в почвах, богатых
Рис. 21. Типы плодовых тел у аскомпцетоз
1—2 — сморчковые, 3 — апотеций Pcziza, 4— перитеций Chaetomium
органическим веществом, на растительных остатках, на навозе тра-
воядных животных, многие известны как плесень на продуктах расти-
тельного происхождения. Наиболее типичны среди них роды Мисог,
Rhizoptis, Phycomyces, Zygorhynchtis, Mortierella (рис. 20).
Аскомицеты (Ascomycetes) — сумчатые грибы. Самый обшир-
ный класс, включающий около 30 тыс. видов. Общий признак всех аско-
мицетов — образование в результате полового процесса сумок, или
асков, которые содержат обычно по 8 аскоспор. Споры прорастают
в многоклеточный мицелий, на котором может развиваться бесполое
споройошение, имеющее большую роль в цикле развития аскомицетов.
Бесполые споры (конидии) образуются на выростах мицелия, которые
носят названия конидиеносцев и имеют разное строение. У низший
сумчатых грибов сумки развиваются прямо на мицелии, у высших —
внутри специальных вместилищ, плодовых тел. Плодовые тела бывают
замкнутыми (клейстотеции), с отверстием на вершине (перитеции),
чашевидными или блюдцевидными (апотеции). Хорошо известны ве-
сенние грибы сморчки и строчки, развивающие плодовые тела — апо-
теции— в виде сморщенной шляпки на стерильной ножке (рис. 21, 1,2).
На поверхности их открыто развивается слой сумок. На почве в ме-
46
стах бывших пожарищ, на навозе лесных зверей часто можно видеть
блюдцевидные апотеции желтого, оранжевого, красного или коричне-
вого цвета представителей рода Peziza (рис. 21,5). На соломе и лес-
ной подстилке развиваются перитеции целлюлозоразрушающих грибов,
например, р. Chaetomium (рис. 21,4). Большинство видов аскомице-
тов — сапротрофы. Некоторые вызывают болезни культурных расте-
ний, известные как мучнистая роса, парша яблони, груши.
Б а з и д и о м и ц ет ы (Basidiomycetes) — наиболее высокооргани-
зованные среди грибов. Их характерный признак — образование поло-
вых спор (базидиоспор) экзогенно на специализированных выростах,
носящих название базидий, которые развиваются в результате поло-
вого процесса. Вырастающий из базидиоспор первичный мицелий су-
ществует недолго. Две клетки одного и того же мицелия или разных
мицелиев сливаются, а их ядра объединяются в пары — дикарионы,
которые затем делятся синхронно, но не сливаются. Такой мицелий
•с ядрами-дикарионами носит название дикариофитиого. У большинства
видов он характеризуется наличием пряжек — небольших клеток, ле-
жащих па гифе сбоку против поперечной перегородки. Это результат
•образования «обводного капала» — пути, по которому одно из син-
хронно делящихся ядер дикариона мигрирует назад, в предыдущую
клетку. Дикариофитный мицелий существует долго, пронизывая почву,
древесину, ткани растения-хозяина. У трутовиков, развивающихся на
стволах деревьев, у шляпочных грибов мицелий многолетний. На нем
в определенные периоды образуются базидии с базидиоспорами. Конп-
диалыюе бесполое спороношение. у базпдиомицстов встречается редко.
У большинства базидиомицетов базидии располагаются па поверхности
или внутри плодовых тел. Плодовые тела очень разнообразны, разме-
ры их от микроскопических до крупных, составляющих десятки санти-
метров в диаметре и весом более килограмма. Они бывают рыхлыми,
студенистыми, мясистыми, кожистыми, деревянистыми; имеют форму
корочек, копытообразных наростов, состоят из ножки и шляпки
(рис. 22). Своеобразную форму плодовых тел имеют рогатиковые гри-
бы: разветвленные кустикй, часто ярких желто-оранжевых тонов. Это
сапрофиты, часто встречающиеся в лесах средней полосы. Растут на
почве, на лесной подстилке. Домовый гриб, имеющий вид бурой мяси-
стой лепешки, — сапрофит, способный при благоприятных условиях
очень быстро разрушать деревянные постройки. Средн трутовых гри-
бов есть сапрофиты, живущие за счет мертвой древесины, и паразиты,
поражающие живые деревья. Мицелий трутовиков развивается внутри
дерева, а на поверхности образует деревянистые плодовые тела, па
нижней стороне которых формируется спороносный слой. Он представ-
ляет собой систему трубочек, внутри которых развиваются базидии
с базидиоспорами. При созревании последних они высыпаются, под-
хватываются ветром и разносятся в новые места обитания. У базпдио-
мицетов с мясистыми мягкими плодовыми телами, состоящими из
шляпки и ножки, спороносный слой — гименофор -— бывает пластин-
чатый, зубчатый и трубчатый. Это хорошо известные съедобные и ядо-
витые грибы, широко распространенные в лесной зоне. Часть из них —
47
микорнзообразователи, другие — подстилочные сапрофиты, участвую-
щие в разрушении растительного опада и древесины, третьи (напри-
мер, Armillariella mellea — опенок осенний) — паразиты многих
деревьев. Среди базидиомицетов есть интересная группа очень краси-
вых грибов, получивших название грибов-цветков. Это гастеромицеты,
имеющие замкнутые плодовые тела, внутри которых образуются бази-
дии. Плодовые тела их имеют форму клубней, звезд, корзиночек, они
разнообразно и ярко окрашены. Почти все гастеромицеты — почвен-
Рис. 22. Типы плодовых тел у базидиомицетов
ные сапрофиты. К ним относятся хорошо известные дождевики, а так-
же земляные звездочки, гнездовки. Базидиомицеты имеют большое
народнохозяйственное значение. Плодовые тела многих грибов таких,
как шампиньон {Agaricus bisporus), белый гриб {Boletus eclulis), под-
осиновик {Leccinium aurantiacum), подберезовик (L. scabrum), разные
виды сыроежек {Russula) и млечников {Lactarius), используются
в пищу. Почти все эти грибы являются микоризообразователями, уча-
ствующими в симбиотрофпом питании растений. Некоторые из них —
облигатные мнкосимбионты и в отсутствие растения не образуют пло-
довых тел. К базидиомицетам относятся и такие распространенные
фитопатогенпые грибы, как головневые и ржавчинные, наносящие
большой ущерб посевам зерновых культур. Из плодовых тел ядовитых
грибов таких, как бледная поганка {Amanita phalloid.es) или мухомор
(Amanita mttscaria), можно получать лекарственные препараты.
Несовершенные грибы (Fungi Imperfect!, Deuteromycetes)
объединяют все виды, которые размножаются только бесполым путем.
Некоторые из них представляют собой лишь стадии развития аскоми-
цстов или, редко, базидиомицетов, которые стабильно развиваются
в несовершенной форме, для других же половой процесс совсем неиз-
вестен и, возможно, полностью утерян — они эволюционируют только
в бесполой, конидиалыюй стадии. Размножаются они конидиями и тал-
лоспорами — вегетативными клетками. Наиболее известны среди не-
совершенных гифом ицетовыс, которых насчитывают до 10 тыс. видов.
Их особенно много в почвах. Почвенные микромицеты — это в основ-
ном несовершенные грибы. Чаще других из почвы выделяют предста-
вителей двух родов — Penicillium и Aspergillus. Для некоторых видов
48
этих родов описаны совершенные стадии, которые относятся к аско-
мпцетам. Большинство же видов пенициллов и аспергиллов встре-
чаются только в стадии бесполого конидиального спороношения
(рис. 23). Среди несовершенных грибов много эпифитных форм, раз-
вивающихся на разных органах живого растения, есть подстилочные
сапрофиты, некоторые разлагают клетчатку. 1\ несовершенным отно-
сятся темноокрашеппые грибы, синтезирующие внутриклеточные чер-
ные пигменты типа меланинов. Предполагают, что эти пигменты после
Рис. 23. Бесполые спороношения Ре-
nicillium (слева) и Aspergillus
Рпс. 24. Хищный
гриб, захвативший не-
матоду
отмирания мицелия включаются в состав почвенного гумуса. Очень
своеобразны хищные грибы. Они образуют из мицелия ловчие кольца,
в которые попадают почвенные нематоды (рис. 24). Выделяя внекле-
точные ферменты, гриб убивает и разлагает червя, питаясь продуктами
разложения. Среди несовершенных грибов есть паразиты растений,
наносящие большой урон сельскому хозяйству. Они вызывают увяда-
ние хлопчатника (Verticillium dahlias'), фузарпоз (виды рода Fusa-
rium) .
Дрожжи. Дрожжами называют одноклеточные грибы, которые
размножаются вегетативно почкованием или делением. С типом веге-
тативного размножения связана форма дрожжевых клеток. При много-
стороннем почковании клетки чаще имеют сферическую или овальную
форму, ио у некоторых видов клетки иногда становятся угловатыми,
серповидными, стреловидными и с сильно вытянутыми в жгуты кон-
цами (рис. 25,7). При полярном почковании клетки после размноже-
ния приобретают форму веретена, лимона или груши (рпс. 25,2).
У делящихся дрожжей клетки цилиндрической или овально-вытянутой
формы (рис. 25,5). Клетки после почкования либо расходятся поодп-
49
ночке, либо остаются на какой-то период соединенными, образуя струк-
туры, которые имитируют мицелий. Такие структуры называют лож-
ным мицелием, или псевдомицелием (рис. 25,4). Некоторые дрожжи
имеют в цикле развития стадию настоящего мицелия.
Дрожжи в целом не составляют отдельного таксона среди грибов.
Они распределяются в разных классах грибов в зависимости от ха-
рактера их полового размножения. Дрожжи, образующие сумки с аско-
спорами, относят к аскомицетам. Таких среди дрожжей большинство.
К ним принадлежат все так называемые «культурные» дрожжи (Sac-
charomyces cerevisiae) — пивные и хлебопекарные; Schizosaccharotny-
Рис. 25. Форма дрожжевых клеток и типы вегетативного размножения
I—почкование, 2 — почкование-деление, 3 — деление, 4 — псевдоми-
целий
ces spp., а также наиболее типичные почвенные дрожжи рода Lipo-
myces (рис. 26). Те дрожжи, которые образуют половые структуры
базидиального типа, относят к базидиомицетам. Большая часть их род-
ственна головневым грибам. Это, например, красные дрожжи Rhodo-
sporidium, обитающие на поверхности листовой пластинки (в филло-
илане). Некоторые из базидиомицетовых дрожжей в бесполой стадии
размножаются баллистоспорами. Это споры, которые образуются на
кончике заостренного выроста — стеригмы и с силой отбрасываются
при созревании на довольно значительное расстояние. Примером могут
служить розовые дрожжи Sporobolomyces — постоянные обитатели
филлосферы злаковых растений. Если такие дрожжи посеять штрихом
на чашку Петри и затем перевернуть ее, то на крышке вскоре обра-
зуется зеркальное изображение штриха, выполненное отстрелявшимися
спорами. Дрожжи, не образующие ни аскоспор, ни базидиоспор, отно-
сят к несовершенным грибам. Из них наиболее известны дрожжи рода
Candida, которые в настоящее время широко используются в микро-
50
биологической промышленности как продуценты белка и кормовых
препаратов из углеводородов нефти, разных отходов сельского и лес-
ного хозяйства, пищевой промышленности. Несовершенные дрожжи
распространены повсеместно, много их в почве и в лесной подстилке.
Дрожжи в природе находятся в основном в ассоциациях с расте-
ниями или с беспозвоночными животными, главным образом с насе-
комыми. Известны специфические ассоциации некоторых видов дрож-
жей с плодовой мушкой дрозофилой, с жуками-короедами, с лесными
муравьями. Много дрожжей на листьях, в нектаре цветов, в пасоке
деревьев, на плодах и фруктах. В почве дрожжей относительно немно-
го, по сравнению с другими
грибами, но в некоторых усло-
виях, например, в холодных
почвах тундр, их доля сильно
увеличивается, и иногда они
становятся единственными
представителями грибной фло-
ры. Причина этого кроется в
Рис. 26. Почвенные дрожжи рода Lipomyces
вегетативные клетки (слева) и сумка со спо-
рами
том, что почвенные дрож-
жи в целом — низкотемпера-
турные организмы. Некоторые
из них хорошо развиваются при
температурах, близких к 0°, и прекращают рост при температуре
выше 20°. Такие организмы называют психрофильнымп. Среди них
первое место занимают дрожжи рода Leucosporidiutn, все известные
виды которого — облигатные психрофилы. Из почв выделяют разные
дрожжи, по только немногие виды входят в состав почвенной биоты:
большинство привносятся в почву с остатками растений или с экскре-
ментами животных и в почве они, по-видимому, не размножаются.
Есть дрожжи, которые встречаются только в почве. Среди них извест-
ны виды, приуроченные к отдельным типам или группам типов почв
с определенным режимом и характером почвообразования. Для черно-
земов, например, очень характерны дрожжи Lipomyces tetrasporus,
для кислых дерново-подзолистых, бурых лесных почв, красноземов и
желтоземов — Candida podzolica, для аллювиально-луговых — Schwan-
niomyces alluvius, а для болотных — Willidpsis saturnus.
ЛИШАЙНИКИ
Лишайники (Lichencs) представляют собой особую группу орга-
низмов, которые обычно относят к низшим растениям. Их тело (тал-
лом) состоит из двух компонентов — гриба (микобионта) и водоросли
(фикобионта). Наука о лишайниках называется лихенологией. Есть
два взгляда на природу лишайников. С одной стороны, их считают
специализированной группой грибов, которые перешли к постоянному
сожительству с фотосинтезирующими организмами — водорослями или
цианобактериями. С другой стороны, лишайники — биологически це-
лостные организмы, имеющие свой эволюционный путь развития, что
51
придаст им черты, отличные от грибов. Доказательством последнего
положения может служить то, что многие лишайниковые грибы глу-
боко специализированы и в свободноживущем состоянии не встре-
чаются. До последнего времени считали, что водорослевые компоненты
лишайников менее специализированы и могут жить отдельно от гриба.
Теперь установлено, что один из главных фикобиоптов лишайников —
Рис. 27. Гомсомсрный (слева) и гетеромерный типы талломов у
лишайников
водоросль Trebouxia, входящая в состав почти половины известных
видов, не встречается в свободном состоянии и живет только в сим-
биозе с грибами.
К настоящему времени описано до 26 000 видов лишайников, кото-
рые группируются в 400 родов. Предполагают, что их на Земле почти
в два раза больше, чем известно науке. Названия лишайникам даются
по их грибному компоненту. Микобиопты лишайников почти исключи-
тельно аскомицеты и только у нескольких десятков лишайников — ба-
зидиомицеты. Из водорослей в качестве фикобиоптов чаще всего вы-
ступают зеленые и желтозеленые, у некоторых — синезеленые.
По анатомическому строению различают лишайники с гомсомер-
пым и гетеромерным талломом. У первых таллом на срезе имеет сим-
метричное строение: между верхней и нижней «корой», образованной
грибными гифами, расположен рыхлый слой мицелиальных тяжей,
среди которых равномерно распределены клетки водоросли. У вторых
верхний и нижний слой различаются по плотности и толщине, а водо-
рослевые клетки сосредоточены под наружным «корковым» слоем
- (рис. 27).
По морфологии лишайники делят па корковые (или накипные),
листоватые, кустистые. Есть еще мелколистоватые кочующие лишай-
ники, которые не прикреплены к субстрату, а имеют форму клубней
или комочков и передвигаются ветром по поверхности почвы (рис. 28).
Размножаются лишайники путем отделения кусочков слоевища с по-
следующей их регенерацией. На поверхности таллома верхний корко-
вый слой разрывается там, где образуются скопления комочков из гиф
52
гриба, оплетающих клетки водоросли — сорали. В отличие от них
изидии — это закрытые выросты таллома, несущие внутри несколько
клеток водорослей (рис. 29). Лишайники могут размножаться и поло-
вым путем за счет образования грибом сумок (чаще всего в апоте-
циях) или (редко) базидий. Грибные компоненты лишайников обра-
зуют также и конидиальные спороношения. Конидии, или споры, про-
Рис. 28. Талломы лишайников
1 — накипной, 2 — листоватый, 3 — кустистый, 4 — кочующий
Рис. 29. Размножение лишайников
1 — сораль, 2 — соредия, 3 — изидии
растают мицелием, который вновь захватывает клетки водоросли
и образует новый таллом.
Растут лишайники медленно, особенно корковые. Прирост от 1 до
8 мм в год, более всего у кустистых. Средний возраст лишайников
от 30 до 80 лет. Обычно они прикрепляются к неподвижному субстра-
ту — скалам, камням, деревьям или разрастаются непосредственно на
поверхности почвы, образуя корочки, комочки, кустики. Лишайники
устойчивы к инсоляции и высушиванию, они способны поглощать воду
53
из атмосферы при низкой относительной влажности воздуха. Автотроф-
ный компонент обеспечивает гриб синтезируемым органическим веще-
ством. Гриб образует разного рода присоски (гаустории, апрессории,
импрессории) и проникает даже в живые клетки водорослей, но может
жить и как сапрофит за счет отмирающих гонидий водоросли. Таким
образом, отношения между грибом и водорослью — сбалансирован-
ный паразитизм, который в зависимости от условий может нарушаться
и привести к резко выраженному паразитизму со стороны грибов.
Лишайники образуют сложные органические кислоты, главным
образом полифеиольного ряда. Они носят название лишайниковых
кислот и обладают антибиотическими свойствами. Наиболее распро-
странены усниновая, урсоловая, лекаиоровая кислоты, названия ко-
торых даны по имени рода образующих их лишайников. Эти кислоты
физодовая
воздействуют на субстрат, так как обладают хелатирующими свойст-
вами, связывая катионы разрушаемой породы. Лишайники оказывают
также и физическое воздействие на субстрат. Об участии лишайников
в первичном почвообразовании в горных районах писали Б. Б. Полы-
нов, М. А. Глазовская. Работы Н. А. Красильникова и его учеников
показали, что слоевища лишайников служат местообитанием для мно-
гочисленных микроорганизмов. На лишайниках насчитывают до не-
скольких миллионов зародышей бактерий, грибов, дрожжей. Многие
из них — олигонитрофилы и азотфиксаторы.
Лишайники имеют и народнохозяйственное значение. Из них по-
лучают красители орсеин и лакмус, резаноид — фиксатор запахов при
54
изготовлении духов. Кустистые лишайники в тундре служат главной
пищей для северных оленей. Так называемый олений мох, или ягель,
включает 3 вида кустистых лишайников: кладонию альпийскую (С1а-
donia alpeslris), кладонию лесную (С. sylvalica) и кладонию оленью
(С. rangiferina). Олени поедают и другие, виды лишайников, всего
до 50. Лишайниками питаются не только олени, их используют в пищу
лоси, косули, маралы, объедая эпифитные лишайники со стволов де-
ревьев. Иногда лишайники используют и как корм для домашнего
скота (цетрария исландская — Ceiraria islandica). Некоторые лишай-
ники используются в пищу человека.
В природе лишайники распространены очень широко. Благодаря
высокой устойчивости к неблагоприятным условиям и независимости
от готовых органических веществ в среде, они расселяются в те обла-
сти, где проходит граница растительности. Лишайники живут на всех
континентах Земли, включая Антарктиду. Особенно разнообразны они
в тропиках, обильны в тундре и высокогорьях, мало их в пустынях.
Закономерности их географического распространения не совсем ясны.
Для многих видов ареалы распространения связаны с выборочным
отношением к субстрату. Есть виды-космополиты, распространенные
всюду, но таких немного.
Для исследований в области почвенной биологии представляют
интерес две экологические группы лишайников — напочвенные (эпи-
гейные) и наскальные (эпилитные). Эпигейпые лишайники не выдер-
живают конкуренцию со стороны быстрорастущих высших растений
и поэтому редко встречаются на плодородных почвах. Они обычны на
песках, в тундровых и полупустынных почвах, торфяниках. На откры-
тых местах встречаются пельтигера собачья (Peltigera canina), «ис-
ландский мох» (Cetraria islandica), различные виды кладоний (С1а-
donia). Кочующие лишайники распространены в сухих степях и
полупустынях, в горных районах. Это аспицилия съедобная, или «ли-
шайниковая манна» (Aspicilia esculenta), пармелия блуждающая (Раг-
melia vagans), корникулярия степная (Cornicidaria steppae). В лесу
лишайники представлены различными видами родов Cladonia и Pel-
tigera. Особенно обильно они развиваются в сухих сосняках, где обра-
зуют сплошной покров. Эпилитные лишайники, живущие на камнях
и скалах, представлены в основном видами накипных форм. Среди них
различают кальцефильные виды, живущие на известковых породах
(Verrucaria, Gasparrinia), и кальцефобные, живущие на кремнезем-
ных породах (Lecidea, Lecanora, Rhizocarpon). Некоторые виды обла-
дают выраженной избирательностью и поселяются либо на кислых
породах (порфир), либо на основных (базальт, диабаз).
Наиболее важна пионерная роль лишайников в заселении голых
субстратов. Разрушая их, они участвуют в первичном почвообразова-
тельном процессе, прокладывая путь высшим растениям. Отмирающие
слоевища лишайников обогащают субстрат органическим веществом и
служат пищей для многих беспозвоночных животных, которые живут
под их защитой. Лишайники служат основой формирования примитив-
ных биогеоценозов, выполняя функцию первичного продуцента в систе-
55
ме с беспозвоночными и микроорганизмами. Важную роль они играют
и в процессах рекультивации земель. Они заселяют свежеобнаженные
безжизненные субстраты, образуя на них первые диффузные синузии.
ПРОКАРИОТЫ
Основной признак, отличающий клетку прокариот от эукариоти-
ческой клетки, — отсутствие в ней ядра, ограниченного двойной мем-
браной. Весь наследственный материал сосредоточен у прокариот
в одной бактериальной хромосоме, которая представляет собой коль-
цевую молекулу двухцепочечной ДНК. Эта нитевидная молекула рас-
полагается в центральной зоне клетки, носящей название нуклеоида,,
так как она выполняет функции ядра. Хотя зона нуклеоида всегда
заметно отличается от цитоплазмы, она пе имеет ограничивающей
мембраны. Наряду с этим основным признаком, который отражен и
в названии всего царства, в настоящее время установлено много спе-
цифических особенностей в строении и метаболизме прокариот, отли-
чающих их от эукариотных организмов (табл. 2).
При электронно-микроскопических наблюдениях прежде всего обра-
щает на себя внимание отсутствие в клетках прокариот мембранной
сети, которая делит эукариотические клетки на отдельные отсеки
(рис. 30). Во многих клетках прокариот цитоплазматическая мембра-
на, лежащая под клеточной стенкой и ограничивающая снаружи прото-
пласт, — это единственная мембрана. Иногда она образует разного
рода внячивания — инвагинации, несущие разные функции. Это могут
быть пузырьки-везикулы, содержащие ферменты, или мезосомы, участ-
вующие в делении клетки. Какие-либо пищеварительные, сократитель-
ные или другие вакуоли у прокариот отсутствуют. Цитоплазматическая
мембрана прокариотической клетки является местом локализации фер-
ментов энергетического метаболизма и, следовательно, выполняет
функцию митохондрий, отсутствующих в клетках прокариот. Поэтому
мембрана особенно развита у бактерий с высок им уровнем дыхатель-
ного метаболизма. Она участвует также в делении нуклеоида, так как
кольцевая ДНК закрепляется на мембране и после репликации (удвое-
ния) расходится по двум новым клеткам благодаря росту мембраны.
Из цитоплазматической мембраны формируются покровы эндоспор.
Она представляет собой также главный барьер для проникновения ве-
ществ внутрь клетки, причем этот барьер значительно более избира-
тельный, чем у эукариот. Цитоплазматическая мембрана пе пропускает
крупные молекулы, она не способна к пипоцнтозу и экзоцитозу.
Цитоплазма прокариотической клетки не подвержена циклическо-
му движению, как у растений, или сократительным явлениям, приво-
дящим к возникновению токов, как, например, у амеб. Поэтому бак-
териальные клетки, если они подвижны, осуществляют движение за
счет других механизмов. У них есть либо просто устроенные жгутики,
отличающиеся от сложных жгутиков эукариот, и тогда они активно
«плавают» в жидкой среде, либо они передвигаются по типу сколь-
жения, выделяя слизь и перемещаясь по ней на поверхности плотного
56
Таблица 2
Отличительные признаки клеток эукариот и прокариот
Признаки Эукариоты Прокариоты
Ядро: мембрана хромосомы ядрышко Мембранные структуры: эндоплазматический ретику- лум аппарат Гольджи мезосомы лизосомы органеллы с однослойны- ми мембранами Митохондрии Хлоропласты Клеточная стенка Экзо- и эндоцитоз Чувствительность к пеницил- лину Чувствительность к полиено- вым антибиотикам Рибосомы Движение Участие ПМ в энергетическом обмене Фиксация No Анаэробное дыхание (не гли- колиз) двойная Ч- обеспечивает компартментали- зацию —(д-) (пероксисомы) ограничены двойной мембра- ной, имеют ДНК — у животных и грибов -1- у растений и водорослей — у животных Д- целлюлоза у растений; д- хитин-глюкан у грибов + 80S в цитоплазме 70S в органеллах жгутики 9—2; амебоидное не участвует не доказана нет 1 (-|- плазмиды) + хлоробиум-везикулы тилакоиды у цианобактерий и пурпурных — у микоплазм и галобакте- рий -I- пептидогликан (муреин) у истинных бактерий 4-кроме микоплазм и галобак- терий 70S жгутики простые, скольжение участвует часто встречается встречается
субстрата. Специфический механизм передвижения существует у спи-
рохет: в их клетках под тонкой клеточной стенкой проходит осевая
нить, представляющая собой систему из внутриклеточных жгутиков.
Сокращения последних вызывают изгибы, за счет которых происходит
перемещение клетки. Бактериальные жгутики располагаются по полю-
сам или по разным сторонам клетки (рис. 31). В зависимости от числа
и расположения жгутиков различают мопотрихи (один полярный жгу-
тик), амфитрихи (жгутики на двух полюсах), лофотрихи (пучок жгу-
тиков) и перитрихи (жгутикгг по всей клетке).
Прокариотическая клетка у истинных прокариот (не считая мико-
плазм и архебактерий, о которых речь будет идти ниже) имеет проч-
ную, сохраняющую постоянную форму (ригидную), клеточную стенку,
которая состоит из нескольких слоев. Основной каркасный слой, от-
57
Рис. 30. Схема строения бактери-
альной клетки
ГВ — газовые вакуоли, ГР — гра-
нулеза, Ж — жгутик, ИМ — инва-
гинации мембраны, К — капсула,
КС Г + , КС Г — клеточная стенка
грамположительных и грамотри-
цательных бактерий, Л — липиды,
М — мезосома, MX — метахрома-
тии, И — нуклеоид, Р — рибосо-
мы, Ф — фимбрии, ХР — хромато-
форы, ЦМ — цитоплазматическая
мембрана S—П Sex—пили
ветственный за прочность, состоит из особого вещества — пептидогли-
кана муреина, который синтезируется только прокариотической клеткой
и не встречается у организмов других царств природы. Это еще один
отличительный признак прокариот. Внутри группы истинных прока-
риот различают два главных типа строе-
ния клеточных стенок. У одних это до-
вольно толстый слой муреина, с которым
связаны особые соединения — тейхоевые
кислоты и полисахариды. У других му-
реиновой слой тонкий и перекрыт допол-
нительными мембранами. Эти два типа
соответствуют грамположительпым и гра-
мотрицательным бактериям. Названия
этих групп происходят от способности
или неспособности разных бактерий ок-
рашиваться по Граму. Принцип окрас-
ки, заключающийся в последовательной
обработке фиксированных бактерий
кристаллическим фиолетовым, раствором
иода и этиловым спиртом, был разрабо-
тай датским врачом К. Грамом в 1884 г.
Метод окраски по Граму нашел широ-
кое применение в микробиологической
практике для дифференциации бакте-
рий. Дело в том, что найденные эмпири-
ческие различия между двумя группами
бактерий в отношении к окраске по
Граму оказались коррелятивно связан-
ными со многими другими весьма важ-
ными признаками. Например, грамполо-
жительные бактерии размножаются би-
нарным делением за счет формирования
поперечной перегородки в клетке, грам-
отрицательпые — путем образования пе-
ретяжки. Первые чувствительны к пени-
циллину, вторые — нет. Грамотрицатель-
пые бактерии не образуют эндоспор, а
некоторые грамположительные их образуют. Эндоспора, как правило,
всегда одна па клетку и обладает уникальной устойчивостью к разным
неблагоприятным воздействиям. Особенно поразительна устойчивость
бактериальных спор к нагреванию: некоторые споры переносят дли-
тельное кипячение, ие теряя жизнеспособности. Очень стойки споры и
по отношению к высушиванию. Клетки бактерий при спорообразовании
приобретают иногда необычную для них форму: они раздуваются
в виде веретена, лимона или барабанной палочки (рис. 32). У неко-
торых анаэробных бактерий па спорах формируются отростки или яче-
истые колпачки с газовыми вакуолями. Эти признаки используются
как таксономические при разделении бактерий на роды и виды.
58
Споры . бактерий — не единственные формы покоя у прокариот.
Грамотрицательные бактерии, которые не способны к образованию
эндоспор, превращаются в ряде случаев в цисты — особые клетки
Рис. 31. Жгутики бактерии
1, 3 — мопотрихиальный тип, 2 — перитрихиальный
с толстыми наружными покровами (например, Azotobacter chroococ-
сит).
Клетки некоторых бактерий в определенных условиях роста син-
тезируют органические полимеры, которые образуют на наружной
поверхности слизистый слой, называемый капсулой. У нитчатых бак-
терий он имеет форму чехла, или влагалища. Капсулы имеют разную
толщину и легко выявляются под микроскопом при негативном кон-
59
Рис. 32. Споры бактерий
1 — бациллярный тип, 2 — клостридиальный, 3 — плектридиальный; 4, 5 _____
поверхность спор в сканирующем электронном микроскопе
Рис. 33. Капсулы Bacillus megateriurn
трастировапии черной тушью (рис. 33). Капсулы несут некоторые спе-
цифические функции. У клубеньковых бактерий они определяют изби-
рательное прикрепление к корневым волоскам растений разных видов.
Слизистые слои создают вокруг клеток особую среду, обеспечивающую
определенный водный режим. Полисахариды капсул взаимодействуют
с катионами почвенных растворов; они могут быть агентами разруше-
Рис. 34. Морфологические типы бактерий
1 — кокки, 2 — палочки, 3—извитые формы, 4, 5 — почкующиеся и простскобактерни,
6 — нитчатые
ния почвенных минералов, участвуют в процессах агрегации и обра-
зования водопрочной почвенной структуры. Предполагают также воз-
можность включения микробных внеклеточных слизей в процесс обра-
зования гумусовых веществ.
Рассмотренные особенности организации клетки прокариот свиде-
тельствуют об уникальности этих организмов и о большом их разно-
образии. Это разнообразие выражается также в морфологии (рис. 31),
но более всего — в физиологических функциях, которые определяют
их участие во всех биогеохимических процессах па нашей планете.
Среди прокариот есть автотрофы и гетеротрофы, аэробы и анаэробы,
психрофилы и термофилы, азотфиксаторы, олиготрофы, галофилы и
т. д. и т. п. Нет па пашей планете таких соединений, которые не могли
бы быть раньше или позже разложены какими-либо микроорганизма-
61
ми. Прокариотам свойственны некоторые уникальные метаболические
процессы, которые не встречаются в царстве эукариот. К ним относят-
ся: анаэробная жизнь (брожение и анаэробное дыхание), хемосинтез
(образование органических веществ из СО2 за счет энергии окисления
неорганических соединений), фиксация молекулярного азота, метано-
и метилотрофия (жизнь за счет Ci соединений). Для них характерна
высокая скорость синтетических процессов и роста. Набор ферментов
не фиксирован, многие из них индуцибельмы и образуются клеткой
в процессе адаптации к субстрату. Микроорганизмы легко распростра-
няются и благодаря высокой изменчивости и приспособляемости засе-
ляют места с экстремальными условиями, создаваемыми человеком.
В природных экосистемах прокариоты выполняют вместе с гриба-
ми функцию редуцентов разлагая все остатки и органические отходы
жизни, они возвращают элементы в круговорот. Те из прокариот, кото-
рые имеют фотосинтетические пигменты (например, цианобактерии),
входят в группу первичных продуцентов.
Все прокариоты относятся к группе микроскопических организмов.
Размеры почвенных бактерий выражаются в микронах (1 мкм —
10~3 мм) и долях микрона, а их детали измеряются в нанометрах
(1 нм=10-6 мм). Почти 40% бактерий в почвах имеют размеры за
пределами разрешающей способности светооптического микроскопа,
они доступны для наблюдения только с помощью электронного микро-
скопа. При таких малых размерах отношение поверхности к объему
очень велико, следствием чего является высокая интенсивность мета-
болизма.
Прокариоты по численности составляют основную долю микроско-
пического населения почвы. Количество клеток одних только бакте-
рий, не считая актиномицетов и цианобактерий, достигает сотен мил-
лионов и даже миллиардов в 1 г. На долю их сырой биомассы в пере-
гнойно-карбонатной почве, например, приходится около 0,1% массы
почвы.
ТАКСОНОМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОЧВЕННЫХ ПРОКАРИОТ
Архебактерии
Царство Procaryotae подразделяется на два подцарства — Eubac-
teria и Archaebacteria. Последние стали рассматривать как самостоя-
тельную эволюционную линию прокариот недавно на основании моле-
кулярно-биохимических исследований компонентов клетки. В частности,
определение степени гомологии рибосомальных РНК обнаружило
неоднородность среди бактерий. К архебактериям были отнесены ме-
тапобразующие бактерии, крайне галофильные и термоацидофильные
бактерии. Их общими характеристиками являются следующие: 1) от-
сутствие мурамовой кислоты в клеточной стенке; 2) наличие специфи-
ческих транспортных и рибосомальных РНК; 3) необычные кофермен-
ты, которых пет ни у каких других организмов; 4) липидные компо-
ненты (полярные липиды) мембран отличны от таковых у других
62
бактерий; 5) необычные и высокоспециализированные экологические
ниши. На этом основании предполагают, что архебактерии представ-
ляют особую форму развития жизни и, возможно, не имеют общего
корня происхождения с остальными прокариотами.
Из архебактерии для почвенной микробиологии особый интерес
представляют метаногенные бактерии. Образование метана —
геохимически важный процесс, который в больших масштабах проте-
кает в анаэробных условиях при наличии больших запасов органиче-
ских веществ, например, в торфяных болотах. Метапобразующие бак-
терии превращают продукты брожения, образованные другими микро-
организмами (СОг, Нг и муравьиную кислоту), в метан, выполняя та-
ким образом функцию конечного звена трофической цепи: метан посту-
пает в атмосферу и частично «перехватывается» метанокисляющими
бактериями — метилотрофами. Морфологически метаногенные бакте-
рии разнообразны: среди них есть короткие и длинные палочки, спи-
риллы, кокки и сарцины. Они неподвижны или имеют жгутики. Пред-
ставители —- Methanobacteriutn fortnicu.ni, Meihanococcus vannielii,
Meihanosarcina barkeri, Methanospirillum hungatei. Всего сейчас из-
вестно 13 видов метаногенных бактерий.
Подцарство э у б а к т е р и й объединяет бактерий с грамотрицатель-
ным типом клеточных стенок (отдел Gracilicutes), с грамположитель-
ным типом (отдел Firmacutes) и организмы, у которых отсутствует
настоящая клеточная стенка (отдел Mollicutcs).
Грамотрицательные бактерии
К ним относятся фотосинтезирующие организмы, которые имеют
в составе пигментов хлорофилл — Photobacteria и нефотосиитезирующие
Scotobacteria. Среди фотосинтезирующих выделяют синезеленые (циа-
нобактерии). Они отличаются от других фотосинтезирующих бактерий
тем, что имеют, как и эукариотные фототрофы, хлорофилл а и в каче-
стве дополнительных пигментов — каротиноиды и особые фикобилин-
протеиды — фикоцианин и фикоэритрин. При фотосинтезе они исполь-
зуют воду как донор электронов и выделяют кислород. Жгутики у них
отсутствуют. Некислородные фотосинтезирующие бактерии — пурпур-
ные и зеленые — имеют анаэробный фототрофный метаболизм без выг
деления кислорода и содержат бактериохлорофиллы a, b, с, d или в.
Это обитатели водоемов, и в почвах они, как правило, не встречаются.
Из всех фотосинтезирующих бактерий наиболее существенны для почв
цианобактерии.
Нефотосиитезирующие грамотрицательные бактерии (Scotobacte-
ria) объединяют чрезвычайно разнообразные группы микроорганизмов,
начиная от наиболее простых по морфологии псевдомонад и кончая
миксобактериями со сложный циклом развития. Рассмотрим наиболее
обычных для почв представителей.
Псевдомонады — мелкие одиночные подвижные (с полярными
жгутиками) бактерии, не образующие спор. Они, как правило, аэробы,
редко — факультативные анаэробы. Некоторые- способны к денитри-
фикации — нитратному «анаэробному дыханию» (представители рода
63
Pseudomonas). Есть возбудители болезней растений (Xanthomonas),
образующие желтые внутриклеточные пигменты. Среди псевдомонад
как морфологической группы имеется много физиологически высоко-
специализированных бактерий. К ним помимо денитрификаторов и фи-
топатогенов относятся некоторые водородные бактерии, нитритные, сер-
Рис. 35. Бдслловлбрионы
I—прикрепление к клетке (атака). 2—проникновение через клеточ-
ную стенку
иые. В современной систематике бактерий они рассматриваются в раз-
ных таксонах, по их объединяет морфологическое сходство.
Б д с л л о в и б р п о н ы (В del lovibrio), в переводе вибрионы — пияв-
ки (В. bacteriovorus), пожирающие бактерий. Морфологически они
похожи на псевдомонад: это одиночные палочки, слегка изогнутые,
с одним толстым полярным жгутиком (рис 35). Являясь облигатным
внутриклеточным паразитом бактерий, бделловибрион внедряется
в периплазматическое пространство (между клеточной стенкой и цито-
плазматической мембраной) клеток грамотрицатсльных бактерий и там
сначала растет, приобретает форму длинной спириллы, а затем делит-
ся сразу па несколько клеток. Эти клетки приобретают жгутики и вы-
ходят из клетки-хозяина, активно нападая на новые бактерии. Извест-
но 3 вида этих бактерий.
Азотобактер (Azotobacter) — довольно крупные подвижные
палочки с перитрихиальным типом жгутиковаипя. Свободпоживущие
аэробные азотфнксаторы. Наиболее распространенный и хорошо изу-
ченный вид — Az. chroococcum. Подвижные короткие палочки его спо-
64
собиы превращаться в неподвижные кокки, обычно соединенные в па-
ры — диплококки. Они покрываются слизистыми капсулами. При
старении клетки образуют дополнительные покровы и превращаются
в покоящиеся формы — цисты, которые устойчивы к высушиванию, но
не к нагреванию. В виде цист азотобактер переживает в почве периоды
иссушения. Az. chroococcum — типичный обитатель нейтральных и ще-
лочных почв. В кислых почвах распространены близкие к роду Azoto-
bacter бактерии рода Beijerinckia. Это очень слизистые бактерии, у ко-
торых в стадии развития нет цист.
Клубеньковые бактерии (Rhizobium) — подвижные палоч-
ки, не образующие спор. Они живут в свободном состоянии в почве,
но способны внедряться через корневые волоски в корни бобовых расте-
ний и, размножаясь в клетках растения-хозяина, превращаются в непо-
движные искривленные палочки — бактероиды. 11а этой стадии они
фиксируют азот. Под влиянием этих бактерий ткань корня разрастает-
ся и образует клубеньки. В соответствующих условиях, искусственно
создаваемых в лаборатории, можно получить фиксацию азота клубень-
ковыми бактериями и в чистых культурах, без растения (более под-
робно о клубеньковых бактериях см. гл. 2).
Энтеробактерии — многочисленная группа палочковидных
бактерий, подвижных за счет перитрихиальных жгутиков или непо-
движных. Экологически среди них можно выделить три группы:
1) представители нормальной кишечной флоры млекопитающих (на-
пример, Escherichia coli) и возбудители кишечных инфекций (Salmo-
nella, Shigella)', 2) эпифитные и патогенные для растений бактерии
(Erwinia); 3) обитатели воды и почв (Serratia, Proteus). Среди пере-
численных бактерий многие очень детально изучены, так как являются
излюбленными объектами в разного рода исследованиях. Например,
Escherichia coli — один из самых распространенных микробных объ-
ектов в генетике. Широко известна бактерия Erwinia herbicola, обиль-
но заселяющая зеленые части растений, особенно травянистых. Опа
образует желтые колонии. Некоторые штаммы этого вида патогенны
для растений и вызывают заболевания, известные под названием ожо-
га. Proteus vulgaris — обитатель почвы, во наиболее обильно разви-
вается в навозе и в хорошо унавоженных почвах. Активный возбуди-
тель гнилостного процесса, при котором происходит распад белков
животного происхождения. Он способен также гидролизовать моче-
вину.
Почкующиеся бактерии — своеобразная по морфологии
группа бактерий, которые размножаются путем образования почек.
У некоторых почки «сидячие» (Nitrobacter), у других они образуются
на выростах-стебельках (liyphomicrobium). Nitrobacter относится
к физиологической группе нитрифицирующих бактерий, Hyphomicro-
.biuin — факультативный метилотроф, способный одновременно к де-
нитрификации.
М п к с о б а к т е р и и и ц и то фаги — слизеобразующие скользя-
щие бактерии. Миксобактерии отличаются от всех других бактерий
наличием сложного цикла развития с образованием плодовых тел.
2 Биология почв
65
Вегетативные клетки их — мелкие палочки, способные передвигаться
по твердому субстрату, образуя плотные слизистые тяжи. При агрега-
ции из клеток и слизи формируются плодовые тела разной формы и
цвета. Клетки в созревших плодовых телах превращаются в миксо-
споры, которые способны на свежем субстрате прорастать в новые
вегетативные палочки.
Помимо почвы миксобактерии растут на навозе травоядных жи-
вотных, на коре деревьев. Они важные агенты разложения целлюлозы
(Polyangium). Некоторые миксобактер'ии живут в почве за счет дру-
гих бактерий, вызывая их лизис экскретируемыми ферментами (Мухо-
coccus). Цитофаги не образуют плодовых тел. Клетки цитофаг — тон-
кие заостроенные с двух концов палочки, которые размножаются за
счет образования длинных перетяжек. Два рода — Cytophaga и Spo-
rocytophaga — различаются тем, что последние образуют микроцисты.
Цитофаги — наиболее активные разлагатели целлюлозы в почве
в аэробных условиях.- Они способны также гидролизовать и другие
полисахариды, например хитин.
Стебельковые бактерии имеют характерный морфологиче-
ский признак — вырост (простеку) в виде стебелька (см. рис. 34).
Типичные представители — бактерии рода Caulobacter — отличаются
уникальным жизненным циклом. Клетка имеет сначала жгутик, а на
противоположном полюсе образуется простека, на кончике которой есть-
фиксатор, состоящий из пластинок липкого материала. При делении,
получаются две неравноценные клетки: одна (с простекой) продолжает
делиться, а вторая (со жгутиком) плавает до тех пор, пока не поте-
ряет жгутик и на ней не вырастет стебелек. Тогда она тоже начинает
делиться. Несколько клеток с простеками объединяются в так называе-
мые розетки за счет слипания их стебельков. Часто они прикрепляются
стебельками к другим, более крупным, бактериям.
Стебельковые бактерии относятся к своеобразной группе широко-
распространенных, но тем не менее малоизученных почвенных бактерий
с простеками. Это неоднородная группа, многие представители кото-
рой описаны в последние годы при исследовании почвенных суспензий
в электронном микроскопе. Только некоторые из них изучены в чистых
культурах. К последним принадлежит Stella gumosa. Клетки этой бак-
терии имеют форму шестиугольной звезды. Встречается в илах и
торфах.
Спириллы и другие изогнутые бактерии. Представи-
тели этой группы имеют форму изогнутых или спиральных клеток, а по
многим свойствам они близки к псевдомонадам. Настоящие спириллы
(p.p. Spirillum, Aquaspirillum) имеют один или пучок жгутиков на-
полюсах и очень подвижны. Среди них есть патогенные виды, сапро-
трофы, живущие в местах скопления остатков животного и раститель-
ного происхождения, и автотрофы, окисляющие молекулярный водо-
род. На корнях некоторых трав, главным образом злаковых, в по-
следние годы обнаружены спириллы с высокой азотфиксирующей
активностью, за что они и получили родовое название Azospirillurm
Они образуют колонии красного, розового (Л. lipoferum, A. brasilence)
66
или желтого цвета. Молодые клетки с одним полярным жгутиком в-ста-
рых культурах теряют подвижность и приобретают цистоподобную
форму. Другие бактерии этой группы имеют клетки, изогнутые в виде
запятой (вибрионы) или полукольца (тороиды). Бактерии рода Cell-
vibrio — подвижные вибрионы, которые разлагают целлюлозу; Desul-
fovibrio — анаэробные вибрионы, осуществляющие диссимиляционное
восстановление сульфата; Microcyclus. Spirosoma и Renobacter — очень
мелкие неподвижные организмы, относящиеся к олиготрофной группи-
ровке почвенных бактерий: на богатых питательных средах они пре-
терпевают патологические изменения и меняют свою обычную морфо-
логию. Клетки Microcyclus в норме имеют форму отдельных или сдвоен-
ных полуколец. У Spirosoma клетки-полукольца соединяются часто
в плотные спирали до 50 мкм длиной. Бобовидные клетки Renobacter
vacuolatum наполнены газовыми вакуолями, которые обеспечивают
всплывание и перемещение клеток по почвенным капиллярам. Воз-
можно, это один из механизмов приспособления организма к экологи-
ческой обстановке.
К олиготрофным почвенным бактериям относится и Seliberia slel-
lata, обнаруженная Т. В. Аристовской в подзолистых почвах. Этот
•организм образует звездчатые скопления на стенках помещенных
в почву капиллярных педоскопов. Клетки Seliberia имеют форму круп-
ных (до 10—15 мкм) скрученных палочек. Размножение происходит
путем отделения перетяжкой мелкой дочерней клетки со жгутиками.
При росте на средах с гуматами железа происходит отложение гидра-
да окиси железа.
Спирохеты представляют уникальную группу бактерий, обла-
дающих особым механизмом подвижности и формой. Клетки их очень
длинные, до 500 мкм, при толщине всего 0,1—0,6 мкм. Вокруг прото-
пласта обвивается так называемая аксиальная (опорная) нить, со-
стоящая из фибрилл, гомологичных бактериальным жгутикам. Снару-
жи протопласт вместе с фибриллами одет оболочкой. Клетки винто-
образно передвигаются в жидкой среде благодаря сократительной
деятельности осевой нити. Наиболее распространены в загрязненных
водоемах, в иловых отложениях, реже в почвах. Среди спирохет есть
паразиты членистоногих, других беспозвоночных, а также крупных
животных и человека.
Грамположительные ба к герии
В эту группу объединяются грамположительные спорообразующие
палочковидные бактерии, одни род многоклеточных шпчатых бакте-
рий и микроорганизмы, составляющие так называемую актиномицст-
ную линию: кокки, коринеподобпые бактерии, проактииомицеты и истин-
ные актиномицеты. Общее их разнообразие (по числу видов) меньше,
чем грамотрицательпых. Характерные признаки: 1) наличие ригидной
клеточной стенки грамположительного типа, хотя окраска по Граму
у некоторых представителей может варьировать; 2) движение, если
оно есть, всегда осуществляется за счет жгутиков, которые, как пра-
3*
67
вило, многочисленны и располагаются по всей поверхности клетки
(перитрихиальный тип жгутикования).
Грамположптельные бактерии составляют огромную массу почвен-
ных микроорганизмов. Среди них мало патогенных форм, нет внутри-
клеточных паразитов, как среди грамотрицательных бактерий. Нет
среди них и автотрофных фото- или хемосинтетиков.
Спорообразующие бактерии — обычные обитатели почв.
Общий признак для всех представителей этой группы — способность
образовывать покоящиеся клетки, эндоспоры, которые обладают уни-
кальной устойчивостью к нагреванию, токсическим веществам, ультра-
фиолетовому свету и ионизирующей радиации. Вегетативные клетки
спорообразующих бактерий обычно подвижны; размножаются они по-
перечным делением. Только один род в этой группе представлен кок-
ками (Sporosarcina), все остальные — палочки. Среди образующих
эндоспоры бактерий есть аэробы (Bacillus, Sporosarcina) и анаэробы
(Clostridium, Desuljotomaculum).
Бациллы (р. Bacillus) — аэробные свободноживущие или (ред-
ко) облигатно-патогенные организмы палочковидной формы. Палочки
одиночные или соединены в цепочки разной длины. За исключением
одного вида (В. anlhracis) все они подвижны. Некоторые виды обра-
зуют на поверхности агаризованных сред подвижные колонии. При спо-
рообразовании клетки иногда раздуваются, приобретая форму верете-
на или барабанной палочки. Вес виды гетеротрофы, в основном мезо-
филы, но есть небольшая группа экстремальных термофилов. Широко
распространены в природе, в том числе в разных почвах. При изуче-
нии почвенных бацилл Е. Н. Мишустиным были выявлены закономер-
ности эколого-географического распространения разных видов по зонам
природы. В почве бациллы участвуют во многих процессах, связанных
с разложением разных органических субстратов (белков, крахмала
и др.). Среди бацилл есть патогенные виды для человека (возбудитель
сибирской язвы В. anlhracis) и насекомых. Последние составляют
очень интересную группу энтомоиатогенпых видов, которые исполь-
зуются для борьбы с вредными насекомыми. Например, В. thuringiensis
образует в спорангиях кристаллы токсина, губительно действующего на
гусениц сибирского шелкопряда. Бациллы находят широкое примене-
ние в промышленности для получения некоторых ферментов, например
протеаз.
Анаэробные с п о р о о б р а з у ю щ и с бактерии были впер-
вые описаны Л. Пастером в 1861 г. как возбудители маслянокислого
брожения. Позже анаэробы были найдены среди других бактерий —
исспорообразующпх палочек, кокков, вибрионов, спирилл, спирохет и
актиномнцетов.
Спорообразующие анаэробы представлены только двумя родовыми
таксонами — Clostridium и Desuifotomaculum, но они очень разнооб-
разны ио физиологии. Морфологически — это довольно крупные па-
лочки с тупыми, закругленными или заостренными концами. Средние
размеры клостридиев от 3 до 8 мкм, но есть среди них гиганты дли-
ной 15—30 мкм и толщиной до 2,5 мкм. Так как их споры устойчивы
68
не только к нагреванию, но и к кислороду, то они могут долго сохра-
няться в аэробных условиях, где вегетативный клетки погибают. Сре-
ди спорообразующих анаэробов можно выделить четыре группы.
1. Сахаролитические, сбраживающие простые углеводы, крахмал,
пектин, целлюлозу. Отличительная особенность этой группы — способ-
ность активно фиксировать молекулярный азот (например, Clostridium
pasteurianum).
2. Клостридии, разлагающие в анаэробных условиях белки и вы-
зывающие гниение. Среди них — возбудители раневых инфекций
(столбняка, гангрены) и пищевых отравлений (ботулизм) — Cl. tetani,
Cl. botulinum.
3. Пуринолитические, сбраживающие азотсодержащие гетероцик-
лические соединения — пурины и пиримидины (67. acidittrici, Cl. cy-
lindr os porum} .
4. Сульфатредуцирующие, окисляющие органические кислоты или
водород с использованием сульфатов в качестве акцептора водорода
(Desulf otomaculum).
Все анаэробные спорообразующие бактерии, включая возбудите-
лей болезней, обитают в почвах. По-видимому, их в природе чрезвы-
чайно много и они очень разнообразны, но из-за трудностей выделе-
ния и культивирования анаэробов они относительно слабо изучены.
Их роль в круговороте веществ на Земле очень велика. Они участ-
вуют в превращениях углерода, азота, серы.
Нитчатые многоклеточные бактерии из группы грам-
положительиых прокариот представлены родом Caryophanon с одним
видом С. latum. Это крупный организм, клетки которого имеют тол-
щину около 4 мкм и снабжены жгутиками. Клетки образуют нити до
40 мкм длиной, которые при размножении делятся на две более корот-
кие нити. Выделяются из коровьего навоза, вместе с которым могут
попадать и в почву.
Кокки — бактерии сферической формы. Они могут образовы-
вать разные сочетания клеток (рис. 34, 7) и в зависимости от этого
носят названия диплококков (парные), стрептококков (цепочки), ста-
филококков (гроздьевидиые скопления) или сарцин (пакеты).
Представители рода Staphylococcus — факультативные анаэробы,
обитающие на кожных покровах человека. Виды Sarcina — аэротоле-
рантные анаэробы, возбудители некоторых брожений. Из группы грам-
положительных кокков в почве наиболее часто встречаются предста-
вители рода Micrococcus. Их много па талломах литофильных лишай-
ников. Они обычно образуют колонии красного, розового, оранжевого
цвета. По ряду признаков эти бактерии сходны с некоторыми из кори-
неподобных бактерий и, возможно, составляют вместе с ними общую
эволюционную линию, ведущую к актиномицетам.
К о р и и е ф о р м н ы е бактерии — сборная группа бактерий
разной формы с тенденцией к образованию искривленных или слабо
разветвленных клеток. В почвах широко распространены представите-
ли рода Arthrobacler.
А р т р о б а к т е р и и — типичные обитатели почвенной среды, со-
69
ставляющие большую долю микробной части биоты. Кокковидные бак-
терии, постоянно обнаруживаемые на стеклах, приготовленных по ме-
толу Виноградского, относятся, скорее всего, именно к артробакте-
риям. С. Н. Виноградский называл их представителями собственно
почвенной — автохтонной — микрофлоры. В виде кокков эти бактерии
существуют только в определенный период жизненного цикла. На све-
Рис. 36. Коринеформные бактерии и актнномицеты
1—Arthrobacter, 2 — Nocardia, 3 — Streptomyces, 4— Spirilospora, 5 — Strep-
tosporangium, 6 — Micronionospora
жих питательных средах кокки удлиняются, превращаясь в непра-
вильной формы палочки, которые при делении резко изгибаются под
углом («защелкиваются») и образуют характерные комплексы типа
«прищепок». Некоторые виды обнаруживают тенденцию к ветвлению,
напоминая ранние стадии развития мицелиальных бактерий — актино-
мицетов (рис. 36, /).
Артробактерии — гетеротрофы, участвующие в процессах минера-
лизации органических веществ в аэробных условиях. Их пропорция
обычно возрастает в почвах, бедных свежими органическими остатка-
ми, и в экстремальных условиях. Эти бактерии составляют основную
массу микробного населения почв тундры, высокогорных районов и
пустынь. Хотя они и не образуют таких устойчивых эндоспор, как ба-
циллы, но их клетки длительно сохраняют жизнеспособность при
многих неблагоприятных условиях, а популяции выживают в «голод-
ных» средах благодаря очень экономному расходованию эндогенных
субстратов.
70
Актииомицеты — ветвящиеся мицелиальные организмы, кото-
рые на уровне прокариотной организации клетки осуществляют слож-
ные циклы развития, сходные с таковыми у грибов. Низшие их фор-
мы — нокардии (Nocarclid), или проактшюмицеты, образуют мицелий,
который распадается на отдельные фрагменты, сходные с клетками
некоторых корипсформных бактерий, и далее — на кокки (рис. 36,2).
Они не образуют дифференцированных репродуктивных органов как
истинные актииомицеты. Нокардии обычны в почвах, где они выпол-
няют функцию минерализации органических веществ на поздних ста-
диях сукцессии. Они способны разлагать сложные соединения, в том
числе и молекулы гуминовых кислот. Доля их особенно возрастает
в парующих почвах.
Актииомицеты, образующие споры, объединяют мицелиальные про-
кариоты, для которых характерна сложная дифференциация с форми-
рованием специализированных репродуктивных структур. По типу
клеточного строения актииомицеты сходны с грамположительными
бактериями. По общему плану организации они напоминают грибы,
хотя сходство с последними у них чисто внешнее. Пока не была извест-
на их прокариотная природа, актииомицеты сближали с грибами, что
нашло отражение и в названии «лучистые грибки». В настоящее время
их принадлежность к бактериям пи у кого не вызывает сомнений.
Размножаются актииомицеты фрагментами мицелия и спорами, ко-
торые у этих организмов могут быть одиночными и собранными в це-
почки разной длины (до нескольких десятков и даже сотен в одной
спороносящей гифе (рис. 36,5). Есть актииомицеты, образующие по-
движные споры со жгутиками. У некоторых жгутики перитрихиальные
(Planomoiiospora, Planobispord), у других — полярные (Spirillospora,
рис. 36,4). Споры бывают гладкие и с разными выростами — от мел-
ких шипиков до длинных ворсинок (см. рис. 42). Цепочки спор обра-
зуются либо свободно, либо в специальных структурах, носящих назва-
ние спорангиев (например, у Strcptosporangium, рис. 36,5). Споры мо-
гут формироваться как на воздушном, так и на субстратном мицелии,
чаще на первом. Цикл развития служит основой для классификации
актиномицетов.
Актииомицеты, образующие споры, делят на 4 группы: моноспоро-
вые (образуют одиночные споры путем почкования непосредственно
на мицелии), олигоспоровые (образуют в небольшом числе споры в
цепочках), полпспоровыс (с длинными цепочками спор — до не-
скольких сотен) и образующие споры в спорангиях.
Наиболее детально изучены полиспоровые актииомицеты, особенно
род Streplomyces. Представители этого рода наиболее обычны в поч-
вах и составляют основную массу колоний при выделении актино-
мицетов на крахмало-аммиачном агаре или среде Чапека. Их колонии
обычно плотные, бархатистые или мучнистые, в период образования
спороносцев на воздушном мицелии, выделяют разные пигменты. Сре-
ди стрептомицетов много продуцентов антибиотиков (например, стреп-
томицин образует Str. slreptomycini). В почве они входят в группи-
ровки разлагателей сложных органических веществ.
71
Среди моноспоровых актиномицетов наиболее часто обнаружи-
ваются в почвах микромоноспоры (Micronionospora). М. vulgaris —
термофильный вид. Мицелий пе фрагментируется, споры одиночные,
образуются па субстратном мицелии (рис. 36,6). Этот вид распро-
странен широко и несмотря на термофплыюсть, обнаруживается даже
в тундровых почвах. Термофилы есть и среди других родов актино-
мпцетов.
Почти все актипомицеты — свободноживущие микроорганизмы.
В почве они образуют мицелий в микрозонах с высокой концентра-
цией органических веществ. Возможно, что значительная часть обна-
руживаемых при посеве зародышей актиномицетов — это споры. Есть
патогенные актипомицеты, поражающие животных и вызывающие не-
которые болезни у человека. Есть эндопаразиты растений. Очень свое-
образны эндофиты сем. Frankiaceae, ответственные за образование клу-
беньков на корнях некоторых небобовых растений (ольхи, облепихи).
Внутри клеток растения-хозяина они растут в виде очень тонкого
мицелия, на котором, как бусины, образуются сферические вздутия —
везикулы. В мертвых клубеньках эндофит превращается в покоящие-
ся клетки многоугольной формы.
Микоплазмы
Порядок Mycoplasmatales относится к отделу Mollicutes, объеди-
няющему прокариотные микроорганизмы без клеточной стенки. Погра-
ничный слой их клеток представляет собой мембрану, в состав кото-
рой входят стерииы. Микоплазмы очень требовательны к составу сре-
ды и для процессов роста нуждаются в жирных кислотах, белках,
холестерине. Последний они и включают в мембрану, извлекая из
внешней среды, так как сами его не синтезируют. При этом повы-
шается прочность мембраны. Клетки микоплазм полиморфные: в виде
кокков, разветвленных и неразветвленных нитей, неправильной формы
палочек и даже спиралей. Колонии их похожи на «яичницу»: централь-
ная часть плотная непрозрачная, частично погружена в субстрат, а пе-
риферическая — плоская и просвечивающая.
При размножении наблюдается неправильное деление (распад ни-
тей на неравные части) и подобие почкования. В результате образуют-
ся такие зачатки, которые можно считать самыми мелкими из всех
известных организмов, имеющих клеточную структуру; они мельче
даже некоторых крупных вирусов. Их геном (общее количество гене-
тической информации) занимает нижний предел для организмов кле-
точного типа.
Встречаются микоплазмы в разных источниках, в том числе и
в почве, где они участвуют в осаждении железа (Melallogenium).
Средн них есть термофилы, обитающие в термальных водах. Из само-
разогрсвающегося каменного угля были выделены микоплазмы с опти-
мальной для роста температурой около 60° и pH 1—2. Некоторые ми-
коплазмы являются возбудителями болезней животных и растений.
Почвенные микоплазмы — сапротрофы— могут быть в ассоциациях
с бактериями и грибами.
72
ВИРУСЫ И ФАГИ
Это особая группа чрезвычайно мелких паразитов, способных раз-
виваться только внутри клеток других организмов — растений, живот-
ных, водорослей, грибов, бактерий и актиномицетов, вызывая болезнь
микроорганизма или полную гибель микробных клеток. Иначе их на-
зывают ультрамикроскопическими формами, так как их можно видеть
только в электронный микроскоп. К вирусам относят паразитов живот-
Слсва два типа негативных
Рис. 37. Фаги
колоний ризобпофага,
вых частиц
справа — два типа
фаго-
ных и растений, к фагам — паразитов микроорганизмов (альго-, мико-,
бактерио- и актинофаги).
Вирусы и фаги не имеют клеточного строения, они существуют
в виде особых инфекционных частиц — вирионов Вирусы были откры-
ты в конце прошлого века Д. И. Ивановским при исследовании болезни
табака — табачной мозаики. Он назвал возбудителей этой болезни
фильтрующимся вирусом, так как инфекционные частицы проходили че-
рез бактериальные фильтры. Вирус табачной мозаики (ВТМ) в 1935 г.
был получен в кристаллической форме У. Стенли. Его вирионы имеют
форму многогранника. Вирионы других вирусов различаются формой
и размерами. Они бывают палочковидные, нитевидные, сферические,
цилиндрические. Каждый вирион состоит из нуклеиновой кислоты (ДНК
или РНК) и белковой оболочки — капсида, который сложен из от-
73
дельных единиц — капсомеров. Фаги были описаны позже, чем виру-
сы (1915, 1917), Ф. Туортом и Ф. д’Эррелем независимо друг от
друга. Вирусы прокариот, или бактериофаги, состоят из головки и хво-
стового отростка, которым они прикрепляются к клетке-хозяину. Через
этот отросток в клетку вводится («впрыскивается») фаговая ДНК по
типу шприца. Количество вновь синтезированных в одной клетке вирус-
ных частиц («выход фага») может достигать нескольких сотен. На га-
зоне чувствительной к фагу бактерии образуются зоны лизиса —
«негативные колонии» (рис. 37). По их числу можно узнать содер-
жание фаговых частиц в почве или другом субстрате, т. с. определить
титр фага. В почве вирусы не размножаются, но сохраняются в ней
длительные сроки. При проникновении в бактериальные клетки они
не обязательно вызывают их немедленную гибель, но передаются при
делении. В этом случае фаг называют умеренным, а бактерии — его
носители — лизогенными. Скрытый фаг при ослаблении клеток хозяи-
на может вызвать их лизис. Фаги специфичны, они поражают только
определенные виды клеток или группы близкородственных организмов.
Фаги могут наносить существенный ущерб в микробиологических
производствах, в том числе при изготовлении бактериальных удобре-
ний, например нитрагина.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЧВЕННОЙ БИОТЫ
Населяющие почву организмы разнообразны по размерам, трофи-
ческим связям, образу жизни, таксономической принадлежности. Это
обусловливает разнообразие методов, применяемых для исследования
почвенной биоты. Помимо методов, заимствованных из зоологии, бота-
ники, альгологии, существуют и специальные методы для исследова-
ния почвенных организмов, учитывающие особенности почвы как среды
обитания. Экологические методы рассматриваются в разделе, посвя-
щенном экологическим аспектам биологии почв.
ОСНОВНЫЕ ПРИЕМЫ АНАЛИЗА ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
Для изучения представителей микроскопического мира, населяю-
щих почву, существуют общие микробиологические приемы. Для ис-
следования отдельных групп почвенных микроорганизмов применяют
специальные методы.
Подготовка питательных сред
По составу все питательные среды делятся на естественные и син-
тетические. Естественные питательные среды — это моло-
ко, кусочки вареного белка куриного яйца, сыворотка крови, овощи,
фрукты и их отвары, отвары и гидролизаты мяса, рыбы, дрожжей.
Для выращивания многих почвенных бактерий используют мясо-пеп-
тонные среды, приготовляемые с добавлением пептона и поваренной
соли к отварам и экстрактам мяса. Для выращивания грибов, дрож-
74
жен и некоторых бактерий используют виноградное пли солодовое
сусло. Последнее готовится из ячменного солода, содержит в качестве
основного источника углерода мальтозу, а также азотистые вещества
и витамины. Естественными средами для изучения микроорганизмов
почвы являются почвенные среды. Основой для их приготовления обыч-
но служат торф, почва. Существует ряд способов использования поч-
вы для питательных сред — приготовление пластинок из почвы с до-
бавлением некоторых веществ, добавление экстрактов почвы в пита-
тельные среды.
Синтетические питательные среды содержат опреде-
ленный набор химических веществ, главные составные части сред точ-
но известны. Для автотрофных микроорганизмов используют среды,
состоящие из неорганических солей. Для культивирования гетеротро-
фов в синтетические среды добавляют индивидуальные органические
вещества: глюкозу, сахарозу, крахмал, клетчатку.
Особое моего в изучении почвенных микроорганизмов занимают
элективные среды, введенные в практику микробиологических
исследований С. Н. Виноградским. Они обеспечивают развитие группы
микроорганизмов, выполняющих определенную функцию, например,
фиксирующих азот воздуха, разлагающих целлюлозу и т. д. Электив-
ные среды далеко не всегда обеспечивают оптимальное развитие ми-
кроорганизмов, которые преимущественно на них растут.
По физическому состоянию среды разделяются на жидкие и
плотные. Для получения плотных сред используют желатину (20%),
агар-агар (2%), силикагель (кремнекислый гель). Силикагель пред-
ставляет собой чисто минеральную основу для приготовления сред, при-
годных для культивирования автотрофов.
Основные принципы стерилизации
При работе с микроорганизмами необходимо, чтобы посуда и сре-
ды не содержали микробов, т. е. были стерильными. Для достижения
стерильности микроорганизмы убивают нагреванием, ядовитыми веще-
ствами или удаляют их фильтрованием.
К числу обычно применяемых методов стерилизации относятся
следующие;
1) термическая стерилизация — влажный жар (автоклавирова-
ние), дробная стерилизация (тиндализация), неполная стерилизация
или пастеризация; сухой жар — стерилизация с помощью горячего
воздуха; прокаливание в пламени; 2) стерилизация фильтрованием;
3) стерилизация с помощью различных химических веществ; 4) облу-
чение ультрафиолетом; 5) облучение у-лучами.
Термическая влажная стерилизация основана на том, что микро-
организмы, как правило, очень чувствительны к действию влажного
жара.
Автоклавирование включает в себя прогревание материалов в гер-
метической камере чистым насыщенным паром при давлении выше
атмосферного. Обычно среды стерилизуют автоклавированием при до-
бавочном давлении (121°) в течение 20 мин. Среды, содержащие пеко-
75
торые сахара, соки, молоко, стерилизуют при 112° 30 мни. Почву сте-
рилизуют в увлажненном состоянии при 180е в течение 3 ч. Для сред,
портящихся при температуре выше 100е, применяют стерилизацию те-
кучим паром. Это дробная стерилизация (тиидализация) в кипятиль-
нике Коха. Среды обрабатывают в аппарате Коха троекратно по 30—
40 мин 3 дня подряд.
Пастеризация — неполная стерилизация — достигается выдержи-
ванием материала при 70° в течение 15 мин пли при 80° — 10 мин
и применяется для стерилизации легко портящихся пищевых продук-
тов (молоко, соки, сиропы), используемых в качестве питательных сред
для микроорганизмов, а также освобождения почвенных суспензий от
вегетативных клеток микроорганизмов.
Стерилизация сухим жаром применяется при обработке стеклян-
ной посуды и других термоустойчивых материалов. Стерилизация про-
водится в сушильных шкафах при температуре 160° в течение 2—3 ч.
Прокаливанием в пламени стерилизуют металлические и стеклян-
ные предметы: иглы, петли, предметные и покровные стекла, горлыш-
ки колб, бутылок, пробирок.
Стерилизация фильтрованием основана па способности фильтров
адсорбировать микробные клетки. В настоящее время используют три
типа фильтров: 1) мембранные фильтры (пористые диски, изготовляе-
мые из эфиров целлюлозы); 2) фильтры Зейтца (диски, изготовляемые
из смеси асбеста с целлюлозой); 3) мелкопористые стеклянные фильт-
ры (диски, изготовленные из фрагментов стекла путем их сплав-
ления).
Химические дезинфицирующие средства используют для стерили-
зации использованных материалов и уничтожения патогенных микро-
бов. Среды и посуду не стерилизуют с помощью химических агентов,
так как их трудно удалить из стерилизуемых материалов. Используют
нелетучие и летучие дезинфицирующие средства, такие как лизол и
другие фенольные соединения, гипохлорид, формальдегид, окись эти-
лена, хлороформ и другие. Одним из видов химической обработки
может считаться частичная стерилизация с помощью антибиотиков.
Ее используют, если стремятся освободиться от одних микроорганиз-
мов и сохранить другие. Для этого растворенный антибиотик добав-
ляют в питательную среду или вносят в посевной материал. Этим прие-
мом часто пользуются для выделения из почвы определенных групп
микроорганизмов;
Воздействие ультрафиолетовыми лучами чаще всего применяют
при стерилизации лабораторных боксов и столов. При действии па
микроорганизмы в определенных дозах ультрафиолетовые лучи вызы-
вают гибель последних. Наиболее эффективны лучи с длиной волны
2600А. В качестве источника ультрафиолетового излучения обычно
используют специальные кварцевые бактерицидные лампы. Излучате-
лем в этих лампах служит электрическая дуга, возникающая в парах
ртути низкого давления.
Облучение гамма-лучами используют для стерилизации воздушно-
сухих образцов почвы. В почвенных исследованиях способ стерилпза-
76
ции облучением признай наиболее надежным и мягким, не вызываю-
щим образования токсических веществ, почти не влияющим на почвен-
ный гумус и физико-химические свойства почвы. Облучение проводят
в двойных герметически запаянных полиэтиленовых пакетах (10X10),
•содержащих 10—20 г почвы, на универсальной кобальтовой установке
К—200 000; мощность облучения 0,5 Мрад/ч. Облучение проводят до
получения общей дозы 2 Мрад.
Принципы работы с оптическим микроскопом
При работе с микроскопом необходимо придерживаться опреде-
ленных правил и прежде всего правильно устанавливать освещение.
Установка света по методу Келера отвечает требованиям, предъ-
являемым к микроскопии. Опа осуществляется при помощи точечного
источника света, который дают специальные осветители — ОИ-7, ОИ-9,
ОИ-18, ОИ-19. Порядок установки освещения следующий. Закрывают
ирисовую диафрагму конденсора и полевую диафрагму осветителя.
Устанавливают лампу осветителя в такое положение, чтобы изобра-
жение нити лампы было четким на диафрагме конденсора, которую
оно должно полностью перекрывать. Наблюдение за изображением
нити лампы на диафрагме конденсора осуществляют с помощью пло-
ского зеркала микроскопа, в котором отражается диафрагма. Откры-
вают ирисовую диафрагму конденсора и почти до предела закрывают
диафрагму осветителя. Фокусируют объектив малого увеличения па
плоскость объекта и находят изображение полевой диафрагмы осве-
тителя в виде яркого светящегося круглого пятна. Затем, смотря
в микроскоп, устанавливают конденсор в таком положении, при кото-
ром изображение светового пятна будет наиболее четким. После это-
го, не трогая больше конденсор, расширяют диафрагму осветителя до
тех нор, пока ее края не совпадут с краями поля зрения. Диафрагму
конденсора открывают па 2/3, меняя степень ее раскрытия при пере-
ходе от одного увеличения к другому.
При наблюдении в оптическом микроскопе обычно пользуются
препаратами «раздавленная капля» или «висячая капля».
Препарат «раздавленная капля» готовят следующим образом. На чи-
стое предметное стекло наносят пипеткой каплю водопроводной воды
или физиологического раствора (0,5% NaCi). Рядом с каплей петлей
наносят исследуемый материал (клетки микробов). Петлю прожигают
в пламени горелки, а каплю со штрихом исследуемого материала по-
крывают покровным стеклом. Следует при этом обращать внимание па
то, чтобы в препарате не было излишней жидкости, которую отсасы-
вают из-под стекла фильтровальной бумагой. Такне препараты рас-
сматривают под микроскопом с сухими системами объектов (объектив
8Х и 40Х) и с иммерсией (объектив 90Х).
Препарат «висячая капля» готовят нанесением иглой на стериль-
ное покровное стекло очень маленькой капли жидкости со взвешенны-
ми в ней клетками микроорганизмов. Стекло тотчас же переворачи-
вают каплей вниз и помещают на специальное предметное стекло
с лупкой так, чтобы капелька висела над лункой, пе касаясь ее краев
77
и дна. Края лунки предварительно смазывают смесью равных частей
вазелина и жидкого парафина и покровное стекло крепко прижимают
к предметному стеклу. Препарат просматривают с сухими системами
объективов и с иммерсией. Наблюдения можно производить длитель-
но — в течение недели и более. При приготовлении препаратов для
длительных наблюдений пользуются не водой, а жидкой питательной
средой. Препараты можно помещать на электрический нагревательный
столик и следить за развитием микроорганизмов.
Обнаружение и учет численности микроорганизмов в почвах
методом посева па плотные питательные среды
Метод посева — один из наиболее распространенных в практике
исследования численности, группового и в некоторых случаях видового
состава микроорганизмов в почве. На чашках получают отдельные
колонии микроорганизмов, число которых можно подсчитать, из них
можно выделять микроорганизмы в чистые культуры для дальнейшего-,
исследования и идентификации.
Образцы почв отбирают в стерильные пергаментные пакеты.
С пробной площади можно брать три или пять образцов и анализи-
ровать их отдельно, либо составлять средний почвенный образец сме-
шиванием трех-семи индивидуальных проб весом в 100—200 г. Образ-
цы обычно берут по диагонали участка или «конвертом». Микробиоло-
гические исследования должны быть сделаны в день взятия образцов,
так как при хранении влажных образцов состав микроорганизмов-
в них очень изменяется. При невозможности проведения анализа
в ближайшие сутки прибегают к высушиванию образцов при темпера-
туре не выше 30°.
Техника проведения посева из почвы. Перед посевом влажную
или сухую хорошо перемешанную почву высыпают на стекло, которое
предварительно протирают спиртом, и тщательно перемешивают, осво-
бождая от посторонних включений. Отвешивают 10 г почвы и пере-
носят навеску в колбу со 100 мл стерильной водопроводной воды. Для
разрушения почвенных агрегатов и десорбции клеток микроорганизмов
применяют различные способы обработки почвенных образцов перед
посевом по Звягинцеву: 1) 10-минутное ручное перемешивание поч-
венной суспензии в колбах; 2) растирание почвы, увлажненной до
пастообразного состояния в течение 5 мин в стерильной фарфоровой
чашечке резиновым пестиком или пальцем в резиновой перчатке.
Увлажнение почвы следует производить водой или диспергирующим
раствором. В зависимости от типа почвы и группы'исследуемых микро-
организмов целесообразно применять те или иные диспергаторы. На-
пример, для растирания дерново-подзолистой почвы лучше использо-
вать воду; для черноземов и темно-каштановых почв — 0,03—
0,05%-пые растворы акилсульфатов синтетических спиртов; для крас-
ноземов — 0,1%-ный раствор пирофосфата натрия; 3) обработка поч-
венной суспензии на электрической пропеллерной мешалке в течение
5—10 мин; 4) обработка почвенной суспензии ультразвуком на уста-
новке УЗДН-1 в течение 3 мин. Для выделения бактерий и дрожжей
78
можно использовать все перечисленные методы; наиболее эффективна
обработка почвенных образцов ультразвуком. Для выделения и коли-
чественного учета грибов применяют только первые три перечисленных
выше метода.
Посев почвенной суспензии на плотные среды производят из раз-
ведений 1 : 10; 1 : 100; 1 : 1000 и т. д. в зависимости от численности
учитываемых микроорганизмов, типа почвы, ее влажности и т. д.
В случае засева плотных сред разведение подбирают таким образом,,
чтобы на чашке развивалось 50—200 колоний бактерий и актиномице-
Рис. 3'8. Вид чашек Петри с посевохМ почвенной суспензии на разные среды
тов и 30—50 колоний грибов (рис. 38). При слишком густом или раз-
реженном посеве подсчет количества микроорганизмов будет очень
неточным. Из каждого образца почвы берут пе менее 3—5 повторных
навесок и каждую высевают на 3—5 чашек с различными средами.
Для выделения и учета различных групп почвенных микроорганизмов
используют специальные среды, состав которых приводится в соответ-
ствующих разделах.
Разливку питательной среды лучше производить, когда она имеет
температуру около 50°, так как при этом па крышке чашек не обра-
зуется капель воды в результате конденсации пара. После застывания
агара чашки помещают в сушильный шкаф и подсушивают при тем-
пературе 70—-80° до появления на поверхности агара муарового рисун-
ка. Это свидетельствует о том, что пленка воды с поверхности агара
удалена и при размножении на ней колонии бактерий не будут рас-
плываться.
На поверхность застывшей и подсушенной среды наносят каплю
почвенной суспензии определенного разведения и с помощью стеклян-
ного шпателя распределяют ее по всему агару. Засеянные чашки под-
писывают, переворачивают вверх дном и помещают в термостат при
79
соответствующей температуре. Сроки учета микроорганизмов зависят
от состава питательной среды и группы учитываемых микроорганиз-
мов. Па АША обычно на 2—3 сут роста учитывают споровые и неспо-
ровые формы бактерий. На среде Чапека через 5—7 сут роста учиты-
вают колонии актиномицетов и бактерий, на сусло-агаре — на 5—
7 сут роста — колонии грибов и дрожжей.
Подсчет количества колоний на чашке проводят обычно
со дна чашки в проходящем свете. На месте подсчитанной колонии
чернилами по стеклу ставят точки. Для удобства подсчета чашку
можно разделить на квадраты пли секторы и в них подсчитывать ко-
личество колонии. В случае использования непрозрачных сред (напри-
мер, почвенного агара) подсчет производят с поверхности агара.
Подсчитав количество колоний на всех параллельных чашках, вы-
числяют среднее их число на одной чашке и затем делают пересчет
для определения содержания микроорганизмов в 1 г свежей почвы по
формуле: а = б-в-г, где а — количество клеток в 1 г свежей почвы,
б — среднее количество колоний на чашке, в — разведение, из кото-
рого сделан посев, г —- количество капель в 1 мл суспензии.
Методы получения чистых культур и культивирования
почвенных микроорганизмов
Чистой культурой микроорганизма называют культуру, представ-
ляющую собой потомство одной клетки. В случае нитчатых или мице-
лиальных организмов чистая культура может быть получена из одной
многоклеточной нити.
Посевом почвенной суспензии на поверхность плотных сред в чаш-
ках Петри получают изолированные колонии микроорганизмов. Для
выделения чистой культуры материал, взятый петлей из отдельной
колонии, переносят на свежую питательную среду и равномерно ’ рас-
пределяют шпателем по поверхности. После этого тем же шпателем,
не обжигая его, засевают последовательно еще 2—3 чашки. Обычно
на первой чашке после определенного срока инкубации наблюдается
густой, а иногда и сплошной рост микроорганизмов, а на последую-
щих образуются отдельные колонии. Путем пересева из этих колоний
получают чистые культуры. Чистоту выделенной культуры проверяют
следующим методом: культуру рассеивают на поверхность плотной сре-
ды п следят за характером и однородностью роста колоний; контро-
лируют микроскопически.
Культивирование микроорганизмов требует определенных условий
температуры, аэрации, pH среды. Постоянная температура поддержи-
вается в термостатах. Термостатами могут быть специальные шкафы,
существуют и специальные термостатные комнаты. Мезофильные орга-
низмы выращивают при температурах 25—35°, термофильные — 50—
60°, психрофилы — 0—20°. Водоросли и фотосинтезирующие бактерии
инкубируют в термостатах с искусственным освещением — лю.мино-
статах.
Аэробные микроорганизмы культивируют иа поверхности плотных
и жидких питательных сред в чашках Петри, колбах и матрасах или
80
в глубине жидких сред, снабжая последние необходимым для микро-
бов количеством кислорода. Обогащение кислородом может осуществ-
ляться встряхиванием или перемешиванием культур па качалках, про-
пусканием струи стерильного воздуха через толщу среды.
Для получения больших количеств биомассы микроорганизмов
или культуральной жидкости используют специальные аппараты —
ферментеры, оборудованные для перемешивания среды, подачи и рас-
пыления воздуха, а также имеющие контрольно-измерительные при-
боры, регистрирующие температуру, давление, скорость тока воздуха,
pH среды и тому подобное.
При культивировании анаэробов из среды и окружающего прост-
ранства удаляют кислород. Для этого кипятят среду перед использо-
ванием, заливают слоем масла или вазелина после засева. Плотную
питательную среду заливают слоем агара. Другой способ — выращи-
вание культур анаэробных микроорганизмов в анаэростатах, где соз-
дается либо вакуум с остаточным давлением 1—10 мм рт. ст., либо
атмосфера из инертного газа. Для культивирования некоторых анаэро-
бов к средам добавляют редуцирующие вещества — тиогликолят нат-
рия, редуцирующие сахара, восстановленное железо.
ИССЛЕДОВАНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ГРУПП ПОЧВЕННЫХ ОРГАНИЗМОВ
Почвенные водоросли
Методы обнаружения водорослей в почве. При интенсивном раз-
витии водорослей в поверхностных слоях почвы исследование можно
производить при помощи прямого микроскопирования почвенной сус-
пензии в обычном или люминесцентном микроскопах.
Для приготовления почвенной культуры почву помещают в чашки
Петри слоем 1 см в ненарушенном состоянии, увлажняют стерильной
дистиллированной водой до 80% от полной влагоемкости и выдержи-
вают на свету. Через несколько дней па поверхности почвы появляется
налет водорослей, который ' можно использовать для приготовления
микроскопических препаратов.
На поверхность почвы в чашках Петри можно поместить стериль-
ные покровные стекла таким образом, чтобы между почвой и стеклом
оставались отдельные воздушные камеры. В этих влажных камерах,
в капельках воды на внутренней поверхности стекол, обильно разви-
ваются водоросли, особенно диатомовые. Через 7—10 дней стекла сни-
мают пинцетом и, удалив с них крупные частицы почвы, помещают
на предметное стекло в каплю воды и микроскопируют. На «стеклах
обрастания» быстро развиваются диатомеи. Стекла можно фиксиро-
вать в 4%-ном формалине для последующей обработки или использо-
вать для засева водных культур, опуская размельченное стекло в среду.
Почвенную культуру можно приготовить на фильтровальной бу-
маге. Для этого почву в чашках Петри увлажняют несколько сильнее,
чем в предыдущих случаях, с поверхности заглаживают стерильным
шпателем и поверхность почвы покрывают кружком фильтровальной
81
бумаги. На бумаге делают многократно проколы иглой. Через 1—2 ме-
сяца водоросли обычно хорошо разрастаются на бумаге, если чашки
выдерживают на свету, и следят, чтобы культуры не высохли. Препа-
раты готовят, снимая иглой дернинки водорослей с фильтровальной
бумаги. Обычно через бумагу хорошо прорастают синезелепые водорос-
ли. Бумагу можно помещать в банку с 4%-ным раствором формалина,
затем высушивать, тем самым сохраняя водоросли. Для приготовле-
ния водных и агаровых культур используют минеральные среды — ра-
створ Бристоль в модификации Голлербаха (г/л дистиллированной
воды: NaNO3 — 0,25, КН2РО4 — 0,25, MgSO4 — 0,15, СаС12 — 0,05,
NaCl — 0,05, Fe2CIe — следы, pH 4,3) и раствор Бенеке (г/л дистилли-
рованной воды: NH4NO3 — 0,2, СаС12 — 0,1, КгНРО4 — 0,1, MgSO4 —
0,1, Ре2С16 — следы). Приготовленную среду разливают в конические
колбочки невысоким слоем, закрывают ватными пробками и стерили-
зуют при 121° 20 мин. Среды засевают небольшим количеством почвы
из верхних горизонтов. Культуры инкубируют на свету. Посев можно
производить и другими способами, принятыми в почвенной микробио-
логии: из разведений почвенной суспензии, рассыпкой мелкозема на
агаризованные среды в чашки Петри. Просмотр культур производят
многократно в течение 3—4 месяцев.
Широкое применение получили среды, содержащие почвенную
вытяжку. Стандартная среда Данилова предусматривает почвенную
вытяжку из хорошей садовой почвы: 250 мл вытяжки, 750 мл воды,
Ca(NO3)2 — 0,2 г и К«НРО4 — 0,2 г. Почвенную вытяжку готовят
следующим образом: одну часть почвы взбалтывают с четырьмя частя-
ми дистиллированной воды (в случае торфяных почв соотношение
составляет 1 : 25) и фильтруют через складчатый фильтр. Может быть
использована и неразбавленная почвенная вытяжка. Иногда к ней
добавляют небольшое количество солей калия и фосфора.
Методы количественного учета водорослей. Учет численности и
биомассы почвенных водорослей производится двумя методами, осно-
ванными па разных принципах. Первый метод — прямое взвешива-
ние — используется для определения массы поверхностных корочек
или пленок водорослей. Для этого, взвешивают колонии, корочки или
водорослевый войлок, собранные с определенной площади (1 см2 или
1 дм2). Вследствие того что в корочках водорослей немало почвенных
частиц, массу органического вещества определяют по убыли массы
после сжигания навески. Этот метод успешно применяется для опре-
деления массы водорослей в такырной корочке, для учета колоний
Nosloc commune и Лй sphaerodies, т. е. в тех случаях, когда основными
или единственными образователями органического вещества в анали-
зируемых корочках являются водоросли.
Вторая группа методов — подсчет водорослей, рассеянных между
частичками почвы. Культуральные методы подсчета основаны па после-
довательном разбавлении почвенной суспензии и засеве ее в питатель-
ные среды. Они имеют ряд общих недостатков, обусловленных неоди-
наковой скоростью роста разных видов, трудностью подбора сред, не-
равномерностью распределения водорослей в суспензии.
82
Наибольшее распространение получил прямой метод Виноград-
ского в видоизменении Э. А. Штпной. Навеску почвы в 1 г взбалтывают
3 мин с 4 мл дистиллированной воды, взвесь отстаивают 30 с и сли-
вают в центрифужную пробирку. Операцию повторяют еще 2 раза,
добавляя к осадку по 3 мл воды. Все взвеси сливают вместе. Осадок
выбрасывают, а взвесь центрифугируют в течение 1 мин при 500 об/с.
Из суспензии берут каплю жидкости и помещают ее на счетную пла-
стинку. Количество клеток подсчитывают при большом увеличении
микроскопа. Найденное число клеток умножают на коэффициент, по-
лучающийся от перемножения количества капель в 1 мл па объем всей
суспензии. Повторность счета 5—8-кратная.
Более удобно производить подсчет клеток водорослей при помощи
люминесцентного микроскопа. При этом препарат не следует специаль-
но окрашивать, так как хлорофилл в синих лучах флюоресцирует
красным цветом.
После определения числа клеток определяют биомассу, исходя из
объема клеток и принимая удельную массу клеток за единицу.
Как все расчетные методы, косвенный способ определения биомас-
сы водорослей дает очень приближенные показатели. Не учитывается
вещество слизистых чехлов, внеклеточные прижизненные выделения
водорослей. Два метода определения биомассы — прямое взвешивание
наземных корочек и расчетный метод для диффузно распространенных
водорослей — дают результаты не только неравноценные по достовер-
ности, но и выраженные разными показателями: сухое органическое
вещество в первом методе и сырая биомасса — во втором.
Методы исследования качественного состава почвенных водорос-
лей. Для изучения видового состава почвенных водорослей обычно
пользуются методом культур. Наблюдается последовательность появ-
ления и исчезновения видов в культурах, что определяет необходи-
мость многократного просмотра водорослей по мере их развития, начи-
ная с 3 недель, кончая 3—4 месяцами. Раньше всего, иногда уже через
10—15 дней, появляются зеленые водоросли, обладающие подвижными
стадиями размножения, — хламидомонады, хлорококковые, улотрик-
совые и др. Они образуют зеленую пленку на поверхности раствора
и па стейках колбы по урезу воды. В то же время на дне появляется
зеленый палет из видов Chlorococcales, не образующих зооспор. После
3—4 педель роста в культуре обнаруживается значительное количество
диатомей, нередко они образуют длинные ленты из сложенных в ряд
клеток. Диатомовые водоросли быстро прекращают свое развитие и
в двухмесячной культуре обнаруживаются не всегда. Синезеленые
и желтозеленые появляются позднее, после 5—G недель. Из синсзеле-
иых раньше всего разрастаются Phortnidium, позднее представители
Nostoc, Anabaetia и Cylindrospermum, затем виды Lyngbya, Plectone-
nia, Schizothrix, Tolypoihrix. При старении культур (после 3—4 мес)
происходят следующие изменения: уменьшается общее число видов,
полностью исчезают диатомеи, большинство зеленых п желтозе-
леных; начинают преобладать синезеленые, особенно виды рода Plecio-
nema, Tolypoihrix tenuis и некоторые одноклеточные желтозеленые.
83
В агаровых культурах хорошо культивируются диатомеи и сннсзе-
леные. При иосеве почвенного мелкозема иа агаризовапиую среду во-
круг каждой почвенной частицы разрастаются немногие виды, иногда
только один, поэтому с агаровых культур легко выделять альгологиче-
ски чистые культуры. Алыюлогичсски чистой называют культуру водо-
росли, состоящую из клеток водорослей одного вида, в которой присут-
ствуют клетки бактерий — обычных спутников водорослей. Бактерио-
логически чистая культура водоросли исключает присутствие в ней
бактериальных клеток.
При выявлении видового состава почвенных водорослей и даль-
нейшем их изучении важным является выделение водорослей в альго-
логичсски и бактериологически чистые культуры.
Некоторые особенности имеет выявление диатомовых водорослей,
для чего необходимо использовать препараты, приготовляемые из жи-
вых культур, особенно из почвенных культур со стеклами обрастания;
если же учитывать пустые панцири, обнаруженные в почве, то это
может привести к ошибочным выводам.
При приготовлении препаратов берут иа предметное стекло пробы
налетов и пленок водорослей в случае водных культур, разрастаний
вокруг частичек мелкозема или колоний в случае агаровых культур,
соблюдая обычные приемы стерильности. Приготавливают препарат
«раздавленная капля» и рассматривают его под микроскопом.
Почвенные грибы
Методы выделения почвенных грибов. Для выделения грибов из
почвы используют специальные среды. Наиболее употребительные из
них сусло-агар и некоторые синтетические среды, в состав которых
вхотят глюкоза, сахароза или фруктоза. В среды можно добавлять
селективные источники углерода — целлюлозу, хитин, кератин, лигнин,
доступные определенным группам грибов. В среды добавляют специ-
фические химические вещества (ингибиторы), не препягствующие росту
грибов и подавляющие рост других групп микроорганизмов, а также
нетоксические вещества, пе используемые в метаболизме грибов, но
изменяющие условия среды (кислотность, щелочность, осмотическое
давление и т. д.). В качестве ингибиторов, угнетающих рост бактерий,
используют следующие вещества: органические кислоты, красители,
из которых наибольшее распространение получили бенгальский розо-
вый, кристаллический фиолетовый, малахитовый зеленый. Применяют
также комбинации из красителей и антибиотиков. Так, бенгальский
розовый добавляют вместе со стрептомицином (50—70 мг/л). Для се-
лективного выделения грибов из почвы применяют следующие анти-
биотики: хлормпцетпи (5 мг/л), неомицин (50—100 мг/л), полимиксин
(50 мг/л), пенициллин (50 мг/л), эпдомиции (5—10 мг/л).
Выделение грибов методом посева из почвенной суспензии па плот-
ные среды дает возможность выявить в большей пли меньшей степени
набор видов микромицетов, содержащихся в той или иной почве. Од-
нако этот метод не даст представления о том, в каком состоянии
находятся тс или иные виды грибов в почве: в состоянии спор или
84
активно растущего вегетативного мицелия. Для разделения спор и ми-
целия используют следующие методы.
1. Метод капиллярных педоскопов Перфильева и Габе, позволяю-
щий наблюдать растущий мицелий и спороношспия в естественной сре-
де обитания.
2. Флотационный метод, при котором навеску почвы помещают
в двухфазную систему (воду и масло), где споры грибов в результате
большей гидрофобности всплывают на поверхность.
3. Высушивание грибов над хлорной известью. Предварительно
определяют скорость гибели от высушивания спор и вегетативного ми-
целия. Мицелий погибает значительно быстрее, чем споры.
4. Смыв спор сильной струей воды. Споры хуже адсорбируются
почвенными частицами, чем нити мицелия, и смываются значительно
быстрее.
Определение количества и биомассы грибов в почве. Использова-
ние метода разведений почвенной суспензии с высевом на различные
питательные среды не дает реального представления об истинной засе-
ленности исследуемой почвы грибами.
Для прямого учета грибов в почве применяют метод Хансена —
определения длины мицелия и числа спор с помощью мембранных
фильтров. Метод, усовершенствованный Т. Г. Мирчинк и Т. С. Демки-
ной, состоит в следующем. Навеску почвы (0,5—2 г) или три парал-
лельные навески по 1 г растирают в ступке резиновым пестиком
с небольшим количеством воды в течение 5 мин. Переносят в колбу
с 500 мл дистиллированной воды и встряхивают в течение 5 мин. Поч-
венную взвесь переносят в цилиндр на 500 мл, отбирают пробу в 10 мл,
не давая отстояться, всегда с одного и того же уровня и фильтруют
через мембранный фильтр с диаметром пор 2,5 мкм. После высуши-
вания на воздухе мембранный фильтр окрашивают смесью 1%-ного
водного раствора диапилового голубого и 5°/о-пого водного раствора
фенола в отношении 1 : 5, подсушивают на воздухе и рассматривают
под микроскопом, предварительно осветляя фильтр в капле иммер-
сионного масла. Для каждого почвенного образца используют два
мембранных фильтра, просматривая в каждом по 50 полей зрения.
Измеряют длину грибных гиф с помощью окуляра-микрометра. Исполь-
зуют объектив увеличения 40х. Длину мицелия рассчитывают по фор-
муле
А__ В х • S п
50 • Р • V • С • 10~2
где А-—общая длина мицелия в 1 г почвы (см), В — суммарная
длина гиф в 50 полях зрения в единицах окуляра-микрометра, х -— це-
па деления окуляра-микрометра (мкм), 3 — площадь фильтра (мм2),
п — разведение почвенной суспензии, Р — площадь поля зрения (мкм2),
V — объем наносимой суспензии, С — навеска почвы (г).
Объем гиф, выраженный в см3, рассчитывают по формуле
яг2- 10”s см?.
85
Если диаметр гифы принять в среднем за 5 мкм, тогда
Е = а-3,14-(2,5)2-10~3 см3,
а масса мицелия в 1 г почвы будет равна g=a-19,6-10~8-1,05 г, где
1,05 — удельная масса мицелия
Для установления таксономического положения грибов определяют
их культуральные и морфологические признаки, строение репродуктив-
ных органов.
Методы исследования почвенных, грибов. Культуральные признаки
грибов описывают на плотных питательных средах в чашках Петри.
Используют сусло-агар и синтетические среды. За культурой наблю-
дают в течение нескольких дней или даже двух педель с интервалом
3—4 дня. При описании культуральных признаков грибов отмечают
скорость роста колоний (быстро растущие или медленно растущие),
внешний вид колонии, текстуру колонии (бархатистая, пушистая, шер-
стистая, шероховатая, войлочная), окраску колонии, окраску субстрат-
ного и воздушного мицелия, диффузию пигмента в агар, окраску
окружающей среды. Отмечают складчатость колонии, наличие эксу-
дата, его цвет, запах культуры.
Для характеристики морфологических признаков культуры грибов
сначала просматривают на чашках при малом увеличении микроскопа,
а затем готовят микроскопический препарат. Для наблюдения за ре-
продуктивными органами из колонии вырезают блоки с помощью про-
бочного сверла. После их изъятия на чашках остаются лупки.
Через 1—2 дня лунка зарастает мицелием, который можно наблю-
дать под микроскопом.
За развитием мицелия и спорогенезом можно наблюдать на ави-
зованных стеклах. Стерильной расплавленной средой покрывают пред-
метные стекла, которые помещают в чашку Петри на П-образную
стеклянную подставку. Посев гриба производят штрихом по длинной
стороне стекла. Штрихи покрывают стерильными покровными стекла-
ми так, чтобы под ними не оставалось пузырьков воздуха и чтобы
часть штриха была свободной. Во избежание пересыхания агара в чаш-
ку наливают на дно стерильную воду. Через 6—8 дней инкубации
при 25° стекла вынимают и, очистив нижнюю сторону от агара, микро-
скопируют.
Мицелий со снороношениямн удобно рассматривать, приготовив
препарат следующим образом. Небольшой кусочек питательной среды
помещают па стерильное предметное стекло, инфицируют грибной
культурой, покрывают покровным стеклом и инкубируют 2—3 сут. За-
тем снимают покровное стекло, кладут его на предметное и микро-
скопируют.
Для изготовления микроскопического препарата препаровальными
иглами вырезают небольшой участок колонии, помещают в каплю во-
ды и закрывают покровным стеклом. К воде добавляют этиловый
спирт 1 1 или концентрированную уксусную кислоту, поскольку споры
грибов не смачиваются водой. Для приготовления микроскопических
препаратов грибов используют специальную жидкость: карболовая
86
кислота кристаллическая — 20 г, глицерин — 40 мл, дистиллирован-
ная вода — 20 мл.
Для прижизненной окраски грибов используют как основные (ген-
циановый фиолетовый, метиленовый синий, сафранин, нейтральный
красный, метиловый фиолетовый), так и кислые (эритрозин) краски
в концентрации 1 : 500, 1 : 1000, 1 : 10 000.
Почвенные дрожжи
Наиболее широко используемой средой для выделения дрожжей
является солодовое сусло. Из синтетических сред используют агар
Сабуро, называемый также глюкозо-пептонной средой (г/л): глюко-
за — 40; пептон — 10; агар — 20.
Для подавления роста бактерий и актиномицетов среды для вы-
деления дрожжей подкисляют до pH 4,5 путем добавления к ним ми-
неральных или органических кислот.
Рис. 39. Обрастания комочков почвы
липомицетами на среде Эшби
Для синтетических сред используют
соляную кислоту, для сусловых — мо-
лочную или лимонную. Для подкисле-
ния заводского солодового сусла
(6—8% СВ) обычно требуется 3—
4 м/л концентрированной молочной
кислоты. Кислоты добавляют в жид-
кую или расплавленную агаризован-
ную среду после стерилизации, непос-
редственно перед засевом или перед
разливкой в чашки Петри. Если ис-
пользовать 3% агара, то среда засты-
вает при pH 4,8.
При выделении мезофильных дрож-
жей инкубацию производят при 20—
26—28°, при выделении психрофилы
ных форм — при 5°. Сроки инкубации
зависят от температуры. При 28° —
4—5 дней, при 5° — не менее 14 сут.
В посевах из почвы, инкубируемых
при низких температурах, удается учесть в 2—3 раза больше дрожжей,
чем при 28°, так как росту дрожжевых колоний при этом пе мешают
грибы. Учет опытов производят через 2 нед и через месяц.
Дрожжи рода Lipomyces выделяют методом посева почвенных
комочков на безазотистую среду Эшби с сахарозой (см. с. 171). Дрож-
жевые колонии в виде слизистых молочно-белых обрастаний появля-
ются вокруг комочков почвы через 15—20 сут (рис. 39).
Методы исследования чистых кулыур дрожжей. Для описания
культуральных признаков дрожжей используют сусло-агар и глюкозо-
пептонный агар с дрожжевым автолизатом (0,5%). При описании
колоний дрожжей отмечают размер колонии, ее цвет, консистенцию.
Можно описывать не колонии, а рост по штриху. Посев производят
87
прямым штрихом в пробирке со скошенным агаром. Описывают ха-
рактер роста через 6—8 сут инкубации при 25°, а в случае медленно
растущих форм описание делают через 8 сут, а через 6 недель его
повторяют. Длительное выращивание производят при комнатной тем-
пературе (17—18°). При описании роста дрожжей в жидких сре tax
в пробирках отмечают помутнение среды, образование кольца или
пленки.
Форму и размер клеток описывают в культурах разного возраста
на плотных и жидких средах. Первый просмотр и измерение клеток
производят после 2—3-суточного ' инкубирования при 25—28°. Если
дрожжи растут медленно
или не дают роста при тем-
пературе выше 20°, то пер-
вое описание делают через
2—3 нетели инкубации. Во
всех случаях культуры пос-
ле первого просмотра ос-
тавляют при комнатной
температуре (17—18°) и еще
раз описывают через 4 не-
дели.
Наблюдение за строе-
нием п размножением дрож-
жей проводят на живых
культурах с помощью свето-
оптического микроскопа.
Рис. 40. Капсулы липомицетов Капсулы выявляют приго-
товлением мазка в жи ц<ой
туши, т. е. методом негативного контрастирования (рис. 40). Способы
размножения дрожжей исследуют в 3-суточиой культуре па сусло-ага-
рс или в жидком сусле. Для образования спор применяют также го-
лодный агар. Если споры не обнаруживаются при инкубации в течение
3 сут при температуре 25е, то культуры оставляют при комнатной тем-
пературе и исследуют с недельным интервалом в течение 4—6 недель.
Псевдомицелий наблюдают па агаровых пластинках (предметное стек-
ло, покрытое пленкой агаризованиой среды).
Важным физиологическим признаком дрожжей является их спо-
собность к сбраживанию сахаров до углекислого газа и этанола в анаэ-
робных условиях. Для установления способности дрожжей к брожению
используют метод с трубками Дунбара. Отдельные сахара растворяют
в 0,5 %-ном растворе дрожжевого экстракта. Конечная концентрация
сахара — 2%. Растворы сахаров разливают по трубкам Дунбара и
автоклавируют 15 мин при 112°. При этом в слепом колене трубок
нередко образуются пузырьки воздуха. Перед засевом их надо уда-
лить, осторожно наклоняя трубку. Посев производят культурами с сус-
ло-агара. Инкубация длится до 24 сут. О способности дрожжей сбра-
живать сахара свидетельствует образование газа в закрытом колене
трубки.
88
Бактерии
Методы обнаружения и количественного учета бактерий в почве.
Возможность биологических методов учета почвенных бактерии огра-
ничена в том смысле, что не может быть предложено среды, обеспе-
чивающей рост всех почвенных бактерий. В зависимости от целен ис-
следовании для )чета бактерий употребляют различные питательные,
среды: мясо-пептоппый бульон (МГ1Б); МПА, разведенный в 10 раз;
МПА пополам с суслом; среду Эшби; среду Гетчинсона; МПА с желт-
ком и т. д. В некоторых случаях необходимо использовать среды, обес-
печивающие рост возможно большего количества бактерий, например
среды, приготовленные из почвенной вытяжки. Почвенная вытяжка го-
товится следующим образом: 1 кг садовой почвы заливают 1 л водо-
проводной воды и помещают в автоклав на 30 мин при давлении
2 атм, после чего дают отстояться. Жидкость сливают и фильтруют
через двойной фильтр. Фильтрат нейтрализуют содой до pH 7,2.
К 100 мл почвенной вытяжки добавляют 900 мл дистиллированной
воды и 15 г агара. Кипятят, разливают по пробиркам или колбам и
стерилизуют в автоклаве при 1 атм в течение 30 мни.
При приготовлении почвенного экстракта по Потону используют
плодородную почву с pH, близким к вентральному. Навеску почвы
смешивают с равным количеством водопроводной воды и оставляют
стоять 24 ч при комнатной температуре. На следующий день автокла-
вируют, декантируют и фильтруют в горячем виде через бумажный
фильтр, проверяют pH, стерилизуют. Для получения плотной среды
добавляют агар (2%).
Количественный учет бактерии можно проводить методом высева
из почвенной суспензии на плотные среды. Однако по целому ряду
причин чашечный метод дает заниженные результаты. Очевидно,
более перспективными являются методы прямого микроскопического
учета бактерий в почве.
Методы прямого микроскопического учета бактерий в почве. Ме-
тод Виноградского в модификации Шульгиной состоит в следующем.
Тщательно отобранную навеску почвы в 5 г помещают в колбочку
обьсмом 250 мл, содержащую 45 мл стерильной водопроводной воды.
Почву перед анализом рекомендуется растирать резиновым пестиком
в течение 5 мич. Колбочку энергично встряхивают в течение 5 мин.
Суспензию можно обработать ультразвуком пли на мнкроизмельчителе
тканей, После 30 с отстаивания наносят одну каплю суспензии па
поверхность чистого обезжиренного предметного стекла с помощью
пипетки с точно вымеренной величиной капли. Нужно следить, чтобы
суспензия в пипетке не оседала и в капле, которую мы наносим на
стекло, не скапливалось бы большого количества частиц, для чего все
манипуляции нужно проводить быстро и пипетку держать в горизон-
тальном положении до момента закапывания суспензии. Рядом с кап-
лей суспензии на стекло наносят одну каплю 0,1%-ного агара. На
стекле, куда наносят суспензию, предварительно отмечают прямоуголь-
ник площадью 8 см2. Нанесенную суспензию равномерно распределяют
89
по поверхности всего прямоугольника. Для опытов используют тща-
тельно очищенные и обезжиренные стекла. Препарат подсушивают и
в течение нескольких минут фиксируют 96%-иым спиртом или парами
осмиевой кислоты и окрашивают карболовым эритрозином в течение
суток. Следят, чтобы в течение окрашивания препараты не высыхали.
Краску смывают, погружая стекла в стакан с водой. Препараты высу-
шивают и с помощью иммерсионного объектива (90X) проводят под-
счет клеток. Необходимо приготовить несколько повторных стекол, не
менее пяти. Количество клеток, просчитанных во всех препаратах, сум-
мируют. Расчет количества клеток в 1 г абсолютно сухой почвы N про-
водят по формуле
/18- 109 (Р -L 100)
/V = Б • В • Г • 100
где А — общее количество учтенных иа стекле клеток, Б — площадь
поля зрения в мкм2, вычисленная по формуле яг2, В — объем нанесен-
ной суспензии в мл, Г — количество просчитанных полей зрения, Р—
влажность почвы в % к весу сухой почвы.
Одним из наиболее простых и удачных методов выявления, изу-
чения и количественного учета микроорганизмов, в том числе и бак-
терий, является люминесцентная микроскопия в падающем свете по
Звягинцеву с применением в качестве флюорохрома акридина оран-
жевого. Почвенную суспензию (1 : 10) после предварительной обра-
ботки на ультразвуковой установке переносят в мерный цилиндр на
100 мл. После 2-минутного отстаивания пипеткой отбирают 2 мл сус-
пензии из средней фракции (с отметки 50 мл) и переносят ее в колбу
с 18 мл воды. Перед приготовлением препаратов колбу энергично
встряхивают. Суспензию наносят микропипеткой на обезжиренные
предметные стекла (0,01 мл на препарат) и равномерно распределяют
на площади 4 см2 (квадрат 2x2 см). Производят фиксацию с помощью
нагревания и окрашивают препарат 2—4 мин водным раствором акри-
дина оранжевого (1 : 10 000). После высушивания препараты просмат-
ривают в люминесцентном микроскопе. Из одного почвенного образца
готовят два препарата и в каждом просматривают 5 полей зрения.
Количество микробных клеток в 1 г почвы вычисляют по формуле
N = . 1()10
S
где N — количество клеток в 1 г почвы, а — среднее число клеток
в поле зрения, S — площадь поля зрения (мкм2), п — показатель
разведения. Желательно подобрать разведение таким образом, чтобы
среднее число клеток в поле зрения составляло 5—10.
Методы исследования бактерий. Культуральные признаки бакте-
рий обычно описывают на твердых питательных средах, например на
МПА, на кусочках картофеля, моркови и в жидких средах.
Колонии бактерий на твердых питательных средах описывают, от-
мечая следующие признаки (рис. 41): размер (крупная >10 мм в дна-
90
метре; средняя 1 —10 мм; мелкая, точечная <1 мм); профиль (выпук-
лая, конусоидная, плоская, кратерообразная); край (ровный, лопаст-
ной, волнистый, зубчатый, бахромчатый, фестончатый); поверхность
(гладкая, бугристая, складчатая, морщинистая, с концентрическими
кругами, радиально исчерченная); цвет; блеск и прозрачность; конси-
стенция (тестообразная, густая, слизистая, тягучая, жидкая, клейкая);
вид колонии под микроскопом (зернистая, однородная, исчерченная).
Колонии смотрят под микроскопом при малом увеличении (с объекти-
вом 8х).
Морфологию бактериальных клеток изучают, приготавливая при-
жизненные препараты «раздавленная капля» и микроскопируя их при
большом увеличении (с объективом 40Х).
Для исследования деталей строения клетки, спор, жгутиков, раз-
личных включений приготавливают фиксированные и окрашенные пре-
Рис. 41. Типы бактериальных колоний
параты. Препарат бактерий для фиксации и окраски (мазок) готовят
на чистых обезжиренных стеклах. На стекло наносят каплю суспензии
бактериальных клеток и размазывают ее тонким слоем с помощью
петли или краем покровного, стекла. Мазки высушивают при комнат-
ной температуре и фиксируют.
Наиболее распространенный способ фиксации — фломбирование.
Стекло с высушенным мазком проводят три-четыре раза через пламя
горелки мазком вверх, пока пе появляется ощущение жжения при при-
кладывании стекла к тыльной стороне руки. Для изучения формы клет-
ки этот способ фиксации удовлетворителен. Для исследования тонкого
строения бактерий препараты фиксируют химическими веществами,
например, спиртом.
После фиксации препарат окрашивают. Существуют различные
методы покраски. Наиболее употребительные красители: метиленовый
синий, спиртовой или водный раствор; фуксин основной (спиртовой
или водно-спиртовой раствор); применяются и более сложные методы
91
покраски с использованием нескольких красителей, например, окраска
по Граму, окраска спор по методу Ожсшки.
«Негативная окраска» — окраска капсул жидкой тушью прово-
дится так же, как для дрожжей.
Актиномицеты
Методы выявления и количественного учета акти-
ном идет о в. Выделение актиномицетов и их количественный учет
проводят методом посева почвенной суспензии на плотные среды —
крахмало-аммиачиую, крахмало-казеиновую среду, среду Чапека, среду
с хитином и др. В качестве селектирующих агентов при выделении
актиномицетов из почвы используют ингибиторы, подавляющие рост
других микроорганизмов — антибиотики (пенициллин—1 мг/л, стреп-
томицин — 25 мг/л, полимиксин — 5 мг/л, нистатин — 50 мг/л, цикло-
гексимид — 50 мг/л, пимарицин — 50 мг/л), фенол и другие химиче-
ские вещества.
Выделение актиномицетов методом посева па плотные среды дает
возможность в той или иной степени выявить набор видов, содержа-
щихся в той или иной почве, но не дает представления о том, нахо-
дятся ли актиномицеты в почве в состоянии спор или активно расту-
щего вегетативного мицелия. Для выявления в почве мицелия актино-
мицетов существует метод прогревания почвенной суспензии при 55—
70°, основанный на том, что гифы большинства актиномицетов гибнут
при этой температуре, а споры остаются в жизнеспособном состоянии.
Вегетативный мицелий актиномицетов можно также наблюдать при
помещении в почву стекол обрастания по Холодному в модификации
Рыбалкиной и Кононенко (см. с. 227) и капилляров Перфильева и
Габе (см. с. 228).
Методы прямого микроскопического учета (метод Виноградского
и метод подсчета в люминесцентном микроскопе), применяемые для
учета бактерий, могут быть использованы и для учета актиномицетов.
Методы исследования почвенных актиномицетов. Культуральные
признаки актиномицетов описывают на плотных питательных средах —
синтетических и белковых. При описании колоний обычно отмечают
цвет воздушного и субстратного мицелия, наличие растворимого пиг-
мента, выделяемого в среду; наличие складчатости колоний (концент-
рическая или радиальная); поверхность колоний (мучнистая, бархати-
стая, порошковидная, пушистая).
Морфологические свойства актиномицетов — строение колоний и
мицелия, его ветвление, строение и расположение спороносцев — мож-
но изучать, просматривая колонии актиномицетов на плотной пита-
тельной среде в чашках Петри при малом увеличении микроскопа.
Для более детальных исследований получают рост актиномицетов на
предметных или покровных стеклах. В агаре на чашках Петри сте-
рильным скальпелем вырезают 1—2 желобка шириной в 1 см во всю
глубину агара. Края желобка с помощью петли засевают культурой
актиномицета. На засеянные участки желобков накладывают покров-
ные или предметные стекла. Чашки инкубируют обычным способом.
92
При этом актипомицет развивается на поверхности стекла, граничащей
со средой. Стекла с развивающейся на них культурой снимают с агара
и исследуют прижизненно или после фиксации и окраски.
Для знакомства с формой спор актиномицетов делают препарат-
отпечаток. Чистое покровное стекло накладывают на газон актпноми-
Pii'C. 12. Спороносны a-KTiinoMине г ов в сканирующем электронном микро-
скопе
цета и слегка прижимают к поверхности мицелия. Затем снимают и
опускают его в каплю воды па предметном стекле вниз той стороной,
на которой имеется налет актипомнцета. Характер поверхности спор
выявляют в электронном микроскопе (рис. 42).
Для фиксации и окраски мицелия актиномицетов применяют в ос-
новном те же методы, что и для бактерий. Для изучения деталей
93
строения спороносцев и спор можно применять фиксацию жаром и
окрашивание 0,02%-ным водным раствором кристаллического фиоле-
тового или метиленового синего.
Почвенные животные
Методы исследования почвенных простейших. Наблюдения за поч-
венными простейшими можно проводить непосредственно на почвенных
частицах, а также с помощью микроскопирования почвенной суспензии.
Таким образом можно обнаружить активных амеб, жгутиконосцев и
инфузорий. Однако прямое наблюдение трудоемко вследствие сравни-
тельно малого количества организмов в исследуемом объеме почвы и
их адсорбции почвенными частицами.
Приемы изучения простейших с использованием питательных сред.
Для исследования почвенной микрофауны используют педоскопы
(см. с. 228), капилляры которых заполняют 1%-ным агаром с пита-
тельными веществами, например, с органо-минеральными комплек-
сами гумусовых веществ, свойственных изучаемому типу почвы.
Модификация этих методов применительно к простейшим — прора-
щивание почвенного мелкозема на покровных стеклах, покрытых тон-
ким слоем водного раствора агара во влажных камерах. Этот метод
дает возможность определить живых простейших, приготовить их пре-
параты.
Наиболее широко при работе с почвенными простейшими исполь-
зуется метод культур на искусственных питательных средах. Среду
выбирают в зависимости от характера простейших и их пищевых тре-
бований. Так, в жидкой среде развиваются в основном активно дви-
гающиеся инфузории и жгутиконосцы, на плотных агаризованных сре-
дах — главным образом амебы. В случае использования бедных
питательными веществами сред, лишенных избирательных свойств
(почвенного экстракта, дистиллированной и водопроводной воды),
в них развивается меньшее количество организмов, но видовой состав
их более разнообразен.
Методы исследования отдельных групп почвенных простейших.
Они имеют свои особенности. Для выделения и подсчета активно дви-
гающихся инфузорий и жгутиконосцев используют м.етод предельных
разведении навески почвы жидкой питательной средой (сепшш отвар
с почвенной вытяжкой в соотношении 1:1). ТГавеску почвы в 10 г
увлажШП^УГдо’77астообразйоГб~гостоя'н11я7 тщательно растирают и гото-
вят разведения от 1 : 10 до 1 : 106. Для их приготовления используют
колбу с 90 мл жидкой питательной среды (небольшое количество ее
берут для доведения почвы до пастообразного состояния) и 15 проби-
рок (для 5-ти разведений в 3-х повторностях) с 9 мл питательной
среды в каждой. В колбу помешают подготовленный почвенный обра-
зец, взбалтывают в течение 10 мин, на 30 с оставляют для осаждения
крупных почвенных частиц и из полученной почвенной суспензии де-
лают второе разведение в трех повторностях. Далее таким же образом
готовят следующие разведения. Сосуды подписывают и помещают
в термостат на 22—2Г или содержат при комнатной температуре.
94
Микроскопический контроль за культурами и определение проводят
с 3—4-х по 30-е сутки инкубации несколько раз, так как инцистпро-
ваиие и эксцистирование разных видов происходит в разные сроки.
Для замедления движения организмов используют настой айвовых се-
мян пли 0,001% агар.
Количество простейших определяют по таблице Мак Креди для
подсчета микроорганизмов, (табл?~3). Сначала составляют числовую
характеристику из трех цифр: первая соответствует числу повторно-
стей — обычно 3. При этом отмечают, в каком самом большом раз-
ведении впервые во всех трех пробирках появились простейшие. Сле-
дующие две цифры числовой характеристики соответствуют числу
повторностей, в которых развилась культура в двух разведениях, сле-
дующих после отмеченного. В табл. 3 находят вероятное число, соот-
ветствующее полученной числовой характеристике. При пересчете ко-
личества простейших на 1 г почвы это число умножают на знамена-
тель того разведения, где впервые во всех 3-х повторностях появилась
культура. При анализе влажной свежей почвы учитывают процент
влажности.
Таблица 3
Определение количества простейших в 1 г почвы
(3 повторности: по Мак-Креди с сокращениями)
Числовая харак- теристика Наиболее вероят- ное число про- стейших Числовая харак- теристика Наиболее вероят- ное число про- стейших
300 2,5 320 9,5
301 4,0 321 15,0
302 6,5 322 20,0
303 — 323 30,0
310 4,5 330 25,0
312 7,5 331 45,0
312 11,5 332 110,0
313 16,0 333 140,0
Используют также метод подсчета простейших путем последова-
тельного ряда десятичных разведений навески почвы стерильной водо-
проводной водой. Каплю из каждого разведения высевают в пробирки
с питательной средой (сенной настой с почвенной вытяжкой). Посевы
культивируют и обрабатывают по общепринятой методике, при этом
количество простейших в 1 г почвы принимают равным знаменателю
того разведения, в посевах из которого развились культуры про-
стейших.
Для исследования голых амеб (Ainoebcidea) наиболее часто при-
меняют агаризовапные среды. В качестве источника пищи для амеб
используют культуры микроорганизмов — Escherichia coli или Azoio-
bacter chroococcum.
Количество амеб в 1 г почвы подсчитывают методом Сингха. Го-
товят 16 стерильных чашек Петри диаметром 10 см, в каждой нахо-
95
дится восемь стеклянных колец высотой 10 мм и с внутренним диа-
метром 20 мм. В чашки разливают по 20—25 мл горячего стерильного
агара (1,5% агар-агара, 5 г NaCl, 1 г СаСО3 на 1 л воды) и распре-
деляют кольца по краю чашки таким образом, чтобы они не сопри-
касались. После застывания агара в центр каждого кольца на агар
наносят капельку густой суспензии бактерий Е. coli. Чашки ставят
па сутки в термостат при температуре 37°. 10 г предварительно растер-
той почвы помещают в колбу с 50 мл стерильной водопроводной воды,
несколько минут встряхивают, дают 30 с отстояться. Пипеткой берут
5 мл и переносят в пробирку с 5 мл стерильной воды и далее таким
же образом до 15-го разведения. Из каждого разведения отдельной
пипеткой вносят по одной капле суспензии на колонию Е. coll в каж-
дое из восьми колец одной чашки Петри. Каждая чашка соответствует
одному разведению в 8-ми повторностях; 16-я чашка только с Е. coll
остается контрольной. Чашки помешают в термостат при 22—24° на
30 дней или содержат при комнатной температуре. Через 3—4 дня
просматривают кольца для обнаружения активных простейших. Для
этого стерильно микробиологической петлей делают соскоб с поверх-
ности агара внутри кольца, добавляют каплю стерильной воды и пре-
парат исследуют под микроскопом. Количество амеб определяют, под-
считывая кольца, в которых обнаружены простейшие в каждом раз-
веден пи.
Для учета раковинных корненожек (Testacida) используют ме-
тодику, предложенную М. С. Гиляровым. Взятую из свежего образца
почвенную пробу объемом 0,5 см3 заливают раствором плазменного
красителя вполаминблау в растворе фенола, разводят в 25 раз водой
и делят на 5 порций. Взвесь рассматривают под микроскопом в чаш-
ке Петри с разделенным на квадраты дном и подсчитывают обнару-
женных раковинных амеб, затем пересчитывают на исходный объем
почвы.
Для учета раковинных корненожек можно использовать культу-
ральные методы и методы прямого микроскопирования.
Культуральный метод заключается в том, что небольшой образец
почвы пли подстилки (1 г) добавляют к стерильной среде. Развитие
культуры происходит в течение нескольких педель.
Прямые методы для учета раковинных корненожек — стекла по
Джонсону и Моллисопу и метод почвенных срезов. Метод Джонсона
и Моллисона дает возможность выявить пропорцию живых и мертвых
клеток. Почвенный образец просеивают через сито с отверстиями
в 2 мм и отвешивают необходимое количество почвы .(подбирают так,
чтобы обеспечить удобство пересчета на 1 г почвы и достаточную
плотность организмов в поле зрения). Почву помещают в сосуд с 5 мл
стерильной дистиллированной воды, тщательно размешивают и пере-
ливают в стерильную колбу на 100 мл. В первом сосуде остаются при
этом грубые частицы песка. Взвесь затем разбавляют до 50- мл
1,5%-иым раствором агара, предварительно профильтрованным в горя-
чем виде через бумажный фильтр. Колбу встряхивают и оставляют
на 5 с для осаждения тяжелых частиц. Образец берут пипеткой непо-
96
средствешю под поверхностью суспензии, переносят па стекло счетной
камеры, покрывают покровным стеклом и суспензия застывает. Затем
счетную камеру погружают в стерильную дистиллированную воду, по-
кровное стекло удаляют, лишний агар снимают скальпелем. При осто-
рожном колебании стекла в воде пленка всплывает, ее помещают на
обычное предметное стекло и медленно, чтобы избежать трещин, под-
сушивают при комнатной температуре. Высушенные пленки погружают
иа 1 ч в краску следующего состава: 5%-ный водный фенол — 1 мл;
1%-ный водный анилиновый синий — 1 мл; ледяная уксусная кисло-
та — 4 мл. Фильтруют через час после приготовления. Пленки после
окраски быстро промывают, обезвоживают в 95%-ном спирте и из них
изготовляют постоянные препараты, которые затем просматривают
с иммерсией и с использованием фазово-контрастной микроскопии.
Подсчитывают количество раковинок в объеме наблюдаемой в поле
зрения микроскопа агаризованной суспензии, которое вычисляют умно-
жением площади ноля зрения микроскопа на глубину счетной камеры.
Зная разведение почвы в агаре, можно подсчитать количество орга-
низмов в 1 г почвы.
Для выявления соотношения активных и ннцистированных форм
простейших одну из двух параллельных навесок почвы обрабатывают
2%)-ной НС1 в течение нескольких часов. При этом активные формы
погибают, цисты же сохраняют жизнеспособность. Их подсчитывают,
применяя обычную методику. О количестве активных форм в почве
судят по разности между подсчетами клеток в первой и второй навес-
ках. Используют также нагревание почвенной суспензии до 60—70°.
Для цитологических наблюдений применяют прижизненное окра-
шивание клеток простейших водными растворами метиленового синего,
метиленового зеленого, нейтрального красного и других красителей.
Реснички, жгутики и пищеварительные вакуоли наблюдают в слабых
разведениях туши. Фиксацию препаратов производят с помощью па-
ров осмиевой кислоты пли фиксатором Шаудина (насыщенный раствор
сулемы — 2 г; спирт 96° — 1 г); фиксатор применяется нагретым до
50—60°. Ядро выявляют окрашиванием 0,1%-ным раствором метиле-
нового зеленого в 1%-ной уксусной кислоте (фиксатор Роскина). Рес-
нички и жгутики окрашивают иодом (несколько капель настойки
иода в 10 мл воды). При добавлении 2—4% раствора соды рельефно
выступает ресничный аппарат, строение рта и глотки. При исследова-
нии раковинных амеб обращают внимание на раковинку, которую рас-
сматривают в капле глицерина под микроскопом.
Методы, исследования мелких почвенных членистоногих и нематод.
Для учета в почве микроартронод— представителей микрофауны —
используют пробы почвы площадью от 10 до 100 см9, причем крупные
пробы используют реже, чем мелкие.
В лаборатории извлечение мелких членистоногих из проб проводят
с помощью разных методов, поэтому образцы почвы завертывают в пер-
гаментную бумагу или целлофан так, чтобы не нарушить сложение
почвы в пробе, этикетируют, помещают в плохо проводящий тепло
(деревянный) ящик с гнездами и транспортируют к месту анализа.
4 Биология почв
97
В лаборатории для учета микроартропод (клещей, коллембол, симфил)
разделяют комочки почвы препаровальными иглами и непосредствен-
но подсчитывают всех встреченных животных с бинокулярной лупой.
Это крайне трудоемкий и поэтому редко применяемый метод.
Наиболее распространенными способами исследования численно-
сти почвенных микроартропод следует признать методы «автоматиче-
ской выборки» членистоногих
из почвенных
Рис. 43. Эклсктор Туль-
грена: 1 — лампа, 2 —
сито, 3 — воронка, 4 —
сосуд с фиксатором,
5 — кожух
проб. Эти методы носят название эклекторных
методов, основанных па одной общей для всех
обитателей почвы особенности — способности
уходить дзглубь при подсыхании верхних гори-
зонтов почвы. Пробу почвы (5—1000 см3) поме-
щают па сито, вставленное в воронку несколько-
большего диаметраППод горлышкбПорбнкй под-
ставляют "сосуд" с фиксирующей жидкостью —
70%шым спиртом или 2%-ным формалином.
При подсыхании пробы почвы, идущем интен-
сивнее сверху, мелкие членистоногие стараются
уйти глубже. Переваливаясь сквозь ячейки сита,
они попадают в сосуд- с фиксирующей жидко-
стью, где их подсчитывают. Для ускорения под-
сушивания исследуемой почвенной пробы (пли
подстилки) применяют нагревание пробы лам-
пой 40 Вт (нужно следить, чтобы температура
поверхности почвы не поднималась выше 35—
40°). Способ предложен шведским энтомологом
Тульгрсном. Приборы, используемые в этом ме-
тоде, — фото-термо-эклекторы — называются
его именем: воронки Тульгрсна, эклекторы
Тулигрека (рис. 43).
Для экспедиционных условий удобны батареи эклекторов
(рис. 44). Подсушивание образцов ускоряется либо током горячего-
воздуха, либо путем выставления эклекторов па солнечный свет.
В лабораторных условиях часто употребляют батареи эклекторов,.
в которых металлические воронки заменены четырехгранными ворон-
ками из плотного картона или бумаги. В этом случае подсушивание
образца происходит за счет испарения.
Подготовка эклектора к работе состоит в следующем. Сито ставят
на лист бумаги, помещают на его сетку пробу почвы, затем осторож-
но переставляют на другой лист бумаги, а просеявшиеся сквозь ячей-
ки сита частицы почвы ссыпают с бумаги на пробу. После этого сито-
осторожно помещают в воронку и лишь затем подставляют под во-
ронку сосуд с фиксирующей жидкостью. Фиксирующую жидкость с по-
павшими в нее животными фильтруют, фильтр расправляют на чашке
Петри, подсчитывают число животных под бинокулярной лупой или
под микроскопом. Для удобства подсчета фильтр еще до складывания
следует разграфить на клетки простым карандашом.
Из других методов учета мелких почвенных животных известен
98
.метод отмучивав и я в растворах поваренной соли с последующим
центрифу пцщр('шлем. Количество ~~отмучйвасмых живТУТвьТх ооычпо
Тюльше, чем то, которое учитывается с помощью эклектора. Недостат-
ки метода заключаются в том, что он выполняется в лаборатории,
а не в поле, объем анализируемых проб невелик и метод неприменим
.к почвам с высоким содержанием органического вещества.
Рис. 44. Походные установки с батареями эклекторов
Для учета нематод в почве применяют метод с «воронкой Берма-
на». Прибор состоит из воронки, вставленной носиком в пробирку.
Воронка с пробиркой в свою очередь вставлена в сосуд, куда нали-
вают воду так, чтобы воронка была почти доверху наполнена. В ворон-
ку на сите помещают пробу почвы (1 см3 или 1 г) так, чтобы опа ока-
залась погруженной в воду. Лучше помещать на сито пробу почвы,
не дожидаясь ее высыхания. Нематоды проползают через ячейки сита
и попадают в пробирку. Подсчет нематод на дне пробирки проводят
через сутки на часовом стекле или в специализированной камере.
Методы исследования крупных почвенных беспозвоночных-. Мето-
ды учета почвообнтающих или встречающихся в почве животных схе-
матически можно разделить на прямые и косвенные.
Прямые методы позволяют исследователю получить цифры, соот-
ветствующие количеству учитываемых объектов либо на единицу пло-
щади поверхности почвы, либо на единицу объема почвы.
Косвенные методы учета позволяют сравнить с большей или мень-
шей степенью приближения заселенность разных участков, хотя и не
дают точного представления о численноеги объекта учета. К косвен-
ным методам учета относится, например, учет за плугом в отвалилае-
4*
99
мом слое п в борозде крупных заметных насекомых (проволочники,
личинки хрущей или дождевых червей). Метод подразумевает введе-
ние коэффициента пересчета, который определяется на основе сравне-
ния с данными, полученными методом прямого счета. Применяется
чаще всего в полевых и луговых условиях, но не в лесу пли в горных
местностях.
Подсчет личинок насекомых, концентрирующихся на приманках,
также отпосится~~к~числу косвенных методов. Так, проволочников улав-
ливают на приманки из”ломтей картофеля, натыкаемых иа палочки
и закапываемых в почву на глубину около 5 см на расстоянии 50—
100 см друг от друга. Для учета гусениц на полях пропашных культур
п на парах раскладывают кучки выполотых сорняков или скошенной
травы, служащие приманками. Под каждой такой кучкой в местах
с высокой плотностью залегания этих вредителей скапливается иногда
по нескольку десятков особей. Проверку и подсчет гусениц проводят
в ранние часы на следующее утро после раскладки.
Данные косвенных методов дополняют и уточняют данные, полу-
ченные другими методами, по не заменяют их. Методы прямого учета
позволяют определить численность почвенных животных во всем засе-
ленном ими объеме почвы (до глубины встречаемости), рассчитанную
на 1 м2.
Наиболее часто применяется метод послойной выгонки
и разборки почвенных проб. Размер почвенной пробы зависит от сте-
пени увлажненности почвы: от 0,25 м2 во влажных районах до 1 м2
и даже до 2 м2 в сухих районах в сухие годы. В последнем случае
беспозвоночные уходят па значительную глубину, а вырыть яму с от-
весными стенками при малой площади пробы невозможно. Пробу берут
вплоть до нижнего предела встречаемости почвенных животных. При
достаточно высокой влажности — до глубины 30—50 см, в сухих мест-
ностях и особенно на легких почвах — до 100 см и более, При отборе
пробы отмечают площадь, забивают по углам колышки, натягивают
между ними бечевку. Затем от границ отмеренной площадки отгребают
в разные стороны опад или подстилку (если проба'*берется в лесу)
или сухую землю поверхностного слоя (на пару). Рядом с выбранной
площадью помещают клеенку или плотную материю, на которую затем
кладут почву. Сначала с площади пробы руками снимают опад и
другие растительные остатки, которые тщательно вручную перебирают,
учитывая и собирая всех найденных при этом животных, а траву вы-
щипывают для того, чтобы облегчить разборку почвы из верхнего
слоя. Встреченных на поверхности почвы животных'учитывают отдель-
но от тех, что встречаются в толще почвы. После удаления разобран-
ных растительных остатков приступают к выкапыванию почвы с пло-
щади пробы лопатой. Выбрасываемые на разложенную рядом с пробой
клеенку небольшие порции почвы тщательно перетираю г руками, раз-
бивая крупные комки, разрывая дерновину. Всю почву из разбирае-
мого слоя порцию за порцией перетирают па весу между ладонями,
тщательно следя за ссыпающейся на клеенку почвой и собирая па-
дающих животных.
100
Животных собирают отдельно из каждой пробы и слоя. Беспозво-
ночные, нуждающиеся в специальной сложной фиксации (дождевые
черви, моллюски) или необходимые для принципиальных наблюдений,
помещаются в матерчатые мешочки или банки с небольшим количест-
вом взятой для пробы почвы. Хищники должны быть помещены пооди-
ночке. Мелких насекомых, многоножек, мокриц для фиксации поме-
щают в пробирки с 70%-ным спиртом с добавлением нескольких
капель глицерина и формалина, крупных насекомых — в морилки или
сосуды со спиртом. На сосуды прикрепляют этикетки, где числителем
обозначается номер пробы, знаменателем — номер слоя с соответст-
вующей записью в дневнике.
Удобнее всего при взятии проб анализировать почву слоями по
10 см вплоть до глубины встречаемости. С помощью метода ручной
разборки учитывают дождевых червей, многоножек, насекомых и дру-
гих крупных беспозвоночных. При отборе почвенных проб для учета
крупных беспозвоночных иногда используют буры.
Для повышения точности размера пробы рекомендуется взятие
проб с помощью забиваемых в почву рамок или пластинок. Способ
пригоден только при отборе проб до глубины 20 см.
Метод промывки почв на системе сит применяют обычно в ста-
ционарных условиях, в помещениях с водопроводом. В полевых экспе-
диционных условиях метод промывки применяется в модификации
Григорьевой. Образцы почв в мешках доставляют к берегу водоема,
где проводят промывку на системе сит, изготовленных из чередующих-
ся друг с другом цилиндрических ведер и ведер, расширяющихся квер-
ху, днища которых заменены сеткой — наиболее крупноячеистой
у верхнего, наиболее мелкой у нижнего ведра. Эффективность этого
метода невелика при работе с лесными почвами, в которых обильны
остатки растений, особенно на торфяниках.
Для учета дождевых червей в почве, кроме метода ручной разбор-
ки проб, используют, также метод полива поверхности почвы раздра-
жающими покровы червей жидкостями, заставляющими червей выхо-
дить на поверхность. Применяют 0,14—0,5% раствор формалина. Бо-
лее слабые растворы используют на влажных почвах для выгонки
таких червей, как Lumbricus ierrestris, более крепкие — других видов
червей.
Методы, используемые для учета крупных беспозвоночных, не всег-
да дают возможность количественно учесть всех представителей энхи-
треид. Для учета этой группы применяют специальные методы. Метод
Нильсена основан па принципе создания температурного градиента.
Отдельные пробы помещают в цилиндрические сосуды (можно исполь-
зовать консервные банки) диаметром около 20 см с дырчатым дном.
На дно сосуда насыпают слой гравия высотой около 3 см, выше кото-
рого вставляют плотно пригнанное к стенке проволочное сито. На сито
помешают пробу почвы, сверху присыпают ее влажным песком. Сосу-
ды с пробами вставляют в нагреваемый на медленном огне сосуд с во-
дой, налитой до высоты гравия в сосудах с пробами. Нагревают воду
до 60—65° и выдерживают около 2 ч. За это время черви выползают
101
из более горячего субстрата в песок, откуда их извлекают и подсчи-
тывают.
Метод О’Коннора также предусматривает температурную выгонку.
На носик большой воронки (диаметр около 10 см) надевают резино-
вую трубку с зажимом, под которую подставляют сосуд. В верхней
части воронки укрепляют сито, на котором распределяют пробу почвы.
В воронку наливают воду, чтобы почва оказалась погруженной в воду.
Над пробой включают электрическую лампочку (60 Вт). При нагреве
пробы энхптреиды мигрируют вниз и, проползая сквозь ячейки сита,
тонут в воде, накапливаясь в носике воронки и в резиновой трубке.
После 3 ч выгонки открывают зажим и черви со струйкой воды попа-
дают в подставленный сосуд. Оба метода дают близкие величины при
исследовании минеральных горизонтов почв. При выгонке из подстил-
ки второй позволяет учесть в 1,5 раза больше энхитреид, чем первый.
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Общее знакомство с основными группами
почвенных организмов
Занятие 1. 1. Просмотреть и описать коллекцию почвенных живот-
ных. Отметить характерные особенности строения отдельных органов,
отражающие приспособление к условиям обитания в почве.
2. Просмотреть и зарисовать почвенные корочки с разрастаниями
водорослей и лишайников.
3. Описать колонии грибов, дрожжей, бактерий и актиномицетов
на питательных средах.
4. Просмотреть п зарисовать негативные колонии бактерио- и ак-
тинофагов.
Методы микроскопического исследования
почвенных микроорганизмов
Занятие 2. 1. Ознакомиться с устройством микроскопа. Научиться
устанавливать свет по Келлеру.
2. Приготовить препарат бактерий методом «раздавленная капля»,
просмотреть под микроскопом, зарисовать.
3. Приготовить препарат подвижных микроорганизмов методом
«висячая капля», промпкроскоппровать, зарисовать.
4. Ознакомиться с работой люминесцентного и электронного ми-
кроскопов.
Среды для культивирования микроорганизмов
Занятие 3. 1. Приготовить среды для проведения посева из поч-
венной суспензии и выделения микроорганизмов. Приготовить в кол-
бах мясо-пептопный агар (МПА), крахмало-аммиачпып агар (КАА),
сусло-агар, почвенный агар. Приготовить ломтики картофеля и мор-
кови в пробирках. Разлить по пробиркам мясо-пептонный бульон
(МПБ). Приготовить скошенный МПА в пробирках.
102
2. Разлить водопроводную воду по 100 мл в колбы и по 10 мл
в пробирки.
3. Приготовить ватные пробки для всех пробирок и колб.
Методы стерилизации
Занятие 4. 1. Отработать приемы завертывания в бумагу микро-
биологической посуды — чашек Петри, пипеток, шпателей.
2. Загрузить посуду в шкаф для стерилизации и ознакомиться
с режимом его работы.
3. Освоить работу автоклава, кипятильника Коха и бактериаль-
ных фильтров.
Выделение и культивирование микроорганизмов
Занятие 5. 1. Произвести посев из образца почвы ио следующему
плану: разлить по чашкам Петри среды ЛАПА, КАА, сусло-агар и поч-
венный агар, подсушить чашки с ЛАПА, приготовить почвенную суспен-
зию для посева, приготовить необходимые разведения почвенной сус-
пензии, произвести посев из разведений па приготовленные среды в чаш-
ках Петри.
2. Разлить в чашки Петри ЛАПА и после его застывания оставить
чашки открытыми на 10 мин для инфицирования их микроорганиз-
мами из воздуха.
3. Познакомиться с устройством термостатов разных типов, рабо-
той качалок, ферментеров, хемостатов.
Занятие 6. 1. Учет результатов посева. Подсчитать количество
бактерий, актиномицетов и грибов на средах ЛАПА, КАА, сусло-агарс
и почвенном агаре. Пересчитать на 1 г почвы.
2. Описать рост микроорганизмов на всех использованных средах
и сравнить рост на МПА микроорганизмов из воздуха и из почвы.
3. Выделить из одной бактериальной колонии чистую культуру
последовательным рассевом на три чашки Петри с МПА.
Почвенные водоросли
Занятие 7. 1. Промикросконировать при большом увеличении
(объектив 10Х) и зарисовать почвенные водоросли: спнсзеленыс —
представители родов Nosloc, Gleocapsa, Pliortnidiuin\ обратить внима-
ние на гетероцисты и гормогонии; зеленые — Chlorelia, Hortnidiumy
Chlamydomonas: желтозеленые — Bolrydium (малое увеличение, объ-
ектив 8Х); диатомовые — Navicuia, Pinnularia, Nitzschia. Hanlzschia.
2. Промикроскопировать прижизненные препараты водорослей из
культур, полученных при заражении почвой минерального питатель-
ного раствора.
3. Рассмотреть визуально и в препарате зеленые корочки па по-
верхности почвенных монолитов, разрастания водорослей на почвенных
пластинках в чашках Петри и стекла обрастания.
103
Почвенные микроскопические грибы
Занятие 8. 1. Ознакомиться с многообразием и особенностями
строения и размножения грибов на примере культур, высеянных на
питательные среды в чашки Петри.
Промикроскопировать и зарисовать спорангии представителей
класса Zygomycetes родов Мисог и Rliizopus. Приготовить препарат
спорангиев, раздавив их покровным стеклом, и рассмотреть споры, ис-
пользуя большое увеличение микроскопа.
Промикроскопировать и зарисовать плодовые тела представителя
класса Ascomycetes очин из видов рода Sordaria при малом увеличе-
нии микроскопа на питательной среде в чашке Петри. Приготовить
препарат плодового тела, раздавив его покровным стеклом, и рассмот-
реть сумки со спорами. Промикроскопировать п зарисовать при боль-
шом увеличении коничиеиосцы Penicilliurn и Aspergillus.
Промикроскопировать и зарисовать при малом и большом увели-
чениях конидиепосцы представителей класса несовершенных грибов
Fungi Imperfecti родов Alternaria и Tricholhecium.
2. Провести сравнительный учет колоний грибов на чашках со
средой Чапека при посеве из разных почв.
3. Рассчитать биомассу мицелия в 1 г почвы при заданной длине.
Почвенные дрожжи
Задание 9. 1. Ознакомиться с формой дрожжевых клеток. Про-
микроскопировать и зарисовать клетки представителей следующих ро-
дов дрожжей: Cryplococcus, Lipomyces, Rhodotorula, Trichosporon,
Nad son la.
2. Исследовать способы вегетативного размножения у этих дрож-
жей: почкование на примере Rhodotorula или Cryplococcus, деление
у Trichosporon, почкующееся деление у Nadsonia.
3. Просмотреть под микроскопом препараты спор дрожжей. Зари-
совать сумки со спорами у почвенных дрожжей родов Lipomyces, De-
bar yomyces, Williopsis.
4. Выявить капсулы у почвенных дрожжей Lipomyces или Сгур-
tococcus методом негативного контрастирования.
5. Выделить дрожжи из почвы методом посева из разведений поч-
венной суспензии на подкисленный сусло-агар.
Бактерии
Занятие 10. 1. Познакомиться с многообразием бактериального
населения почвы. Приготовить препараты «раздавленная капля»ипро-
микроскопировать при большом увеличении некоторых представителей
грамотрицатсльных бактерий родов Pseudomonas, llyphomicrobium,
Renobacter (или Spirosoma). Cytophaga (или Sporocylophaga), предста-
вителей грамноложнтсльных бактерий родов Bacillus, Clostridium,
. 1 rthroba ci er, A i icrococcus.
2. Пронаблюдать за движением бактерий ролов Pseudomonas и
Bacillus в препарате «висячая капля».
104
3. Просмотреть под микроскопом чистую культуру бактерии, вы-
деленную иа занятии 6; сделать пересев из изолированной колонии
иа скошенный агар с МПА, в пробирки с МПБ, на ломтики картофеля
и моркови в пробирках.
Занятие 11. 1. Просмотреть под микроскопом культуру бактерий
в пробирке с МПА, выделенную на предыдущем занятии; измерить
клетки с помощью микрометра.
2. Описать характер роста бактерий на ломтиках моркови и кар-
тофеля, в МПБ.
3. Просмотреть под микроскопом фиксированные окрашенные
препараты спор у Вас. mycoid.es и Clostridium pastcurianum.
4. Зарисовать жгутики на готовых окрашенных препаратах.
5. Приготовить препараты клеток Azotobactcr chroococcum мето-
дом негативного контрастирования для наблюдения капсул. Зари-
совать.
Актииомицеты
Занятие 12. 1. Ознакомиться с характером ветвления мицелия ак-
типомицетов и общей структурой их микроколоний. Для этого про-
микроскоиировать при малом увеличении 1—2-суточные культуры
Nocardia п Strepiomyces па картофельном агаре. Зарисовать.
2. Промикроскоиировать и зарисовать форму спор и споропосцев
у разных представителей актппомицстов: Micromonospora vulgaris —
одиночные споры; Strepiomyces globisporus — прямые спороносны;
Strepiomyces coelicolor — спиральные спороносны; Slreptoverticillium
sp. — мутовчатые спороносны.
3. Произвести учет количества актппомицстпых колоний на чаш-
ках со средой Чапека и антигрибным антибиотиком нистатином при
посеве из почвы. Для сравнения использовать среду без антибиотика.
Почвенные животные
Занятие 13. 1. Пронаблюдать под микроскопом при большом уве-
личении за движением вегетативных клеток Amoeba protons. Зарисо-
вать форму клетки, вакуоли, ядро. Промикроскоиировать и зарисовать
инеты Amoeba proteus.
2. Промикроскоиировать Paramaecium caudalum. Зарисовать клет-
ки, трихоцисты, проследить за образованием пищеварительной вакуоли.
3. Пронаблюдать под микроскопом за движением жгутиковых
простейших — представителей родов Bodo и Monas. Остановить дви-
жение добавлением в препарат уксусной кислоты. Зарисовать клетки
с основными органоидами.
4. Поставить опыты по выявлению простейших в почве методом
проращивания почвенной пыли.
5. Приготовить жидкую культуру почвенных простейших засевом
почвы в сенной настой в смеси с почвенной вытяжкой (1 : 1).
Па следующем занятии просмотреть под микроскопом обрастание
почвенных частичек простейшими и промикроскоиировать жидкие куль-
туры простейших. Отметить появление клеток амеб, инфузорий.
105
Занятие 14. 1. Просмотреть коллекцию насекомых и личинок на-
секомых, обитающих в почве (личинка майского хруща, медведка,
жуки).
2. Зарисовать внешний вид мокрицы, отметить особенности строе-
ния, связанные с обитанием в почве.
3. Исследовать строение дождевого червя.
4. Просмотреть представителей наземных моллюсков — виноград-
ную улитку и голого слизня.
5. Промикросконировать при малом увеличении комочки почвы,
разложенные на агарпзоваииой среде Эшби, и пронаблюдать за пове-
дением нематод и (возможно) клещей.
G. Просмотреть под микроскопом при малом увеличении предста-
вителей панцирных и гаммазовых клещей.
Занятия по исследованию почвенных животных,
рекомендуемые во время летней практики студентов
1. Определить численность почвенных животных методом послой-
ной выгонки и разборки почвенных проб.
2. Определить численность почвенных микроартропод методом «ав-
томатической выборки» (эклекторный метод).
3. Учесть площадь, приходящуюся на ходы кротов в почвенном
разрезе. Подсчитать количество выбросов (кротовин) на определен-
ной площади почвы различных угодий (луг, пастбище, лес) в разных
к л и м а т и ч ос к их зонах.
Глава 2
УЧАСТИЕ ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
В ЦИКЛАХ ОСНОВНЫХ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В БИОСФЕРЕ И ПОЧВООБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ
ПРОЦЕССАХ
Жизнь на нашей планете возникла, развивается и процветает бла-
годаря энергии Солнца. Приблизительно 10% эиерти, достигающей
поверхности Земли, тратится на испарение воды, что вызывает абиоти-
ческий, или большой геологический круговорот (БГК). Только 0,1%
энергии Солнца закрепляется в синтезируемых растениями органиче-
ских соединениях, что составляет основу биотического, пли малого
биологического, круговорота (МБК, рис. 45). Солнечная энергия, по-
глощенная растениями, совершает огромную работу; она «запускает»
процессы биосинтеза и трансформируется в энергию химических свя-
зей образующихся органических веществ. Главный запас потенциаль-
ной биогенной энергии сосредоточен в почвенном покрове Земли в виде
корней растений, биомассы микроорганизмов и гумуса.
В биосинтетические процессы вовлекаются разнообразные элемен-
ты, которые подвергаются постоянным превращениям. Так как количе-
ство этих элементов на пашен планете может быть определено конеч-
ными величинами, то бесконечность жизни обеспечивается непрерывно
идущим круговоротом этих элементов. Различные этапы круговорота
элементов осуществляются разными группами организмов.
Фотосинтетическое связывание углерода и перевод его в органиче-
ские соединения производится главным образом растениями и водо-
рослями путем вовлечения в биосинтетические процессы СОо из атмо-
сферы. Накопленное этими организмами органическое вещество затем
перерабатывается на разных уровнях жизни консументами и редуцен-
тами. К первым принадлежат в основном животные, ко вторым —
грибы и бактерии. Последовательность этих событий выражается в тро-
фических цепях, или цепях питания. Конечное, деструктивное, звено
этой цепи — минерализация органических веществ с возвратом СОг
в атмосферу — осуществляется в почвенном покрове Земли за счет
деятельности гетеротрофных микроорганизмов. Около 90% образую-
щейся из органических веществ углекислоты «микробного происхож-
дения» и только 10% приходится на долю дыхания высших организ-
мов и деятельности человека. При этом в аэробных условиях грибы
дают 2/3, а бактерии 1/3 СОг. Часть органического вещества закреп-
ляется в почве в форме гумуса.
107
Помимо глобального процесса круговорота углерода, состоящего
из синтеза и минерализации органических веществ, почва участвует
в обмене многими газами с атмосферой. В ходе фотосинтетической
деятельности происходит не только связывание растениями СО2, но и
обогащение атмосферы кислородом. Весь кислород в газовой оболочке
Земли — продукт фотосинтеза. При минерализации органических ве-
Рис. 4'5. Большой геологический и малый биологический круговороты
ществ в атмосферу возвращаются помимо СО2 еще СН4, Н2, СО,’ H2S,
N2O, N2 (рас. 46). В почве образуются и физиологически активные
летучие соединения, такие как этилен, этиламип, нитрозамип, метил-
ртуть. Газы, образующиеся в анаэробной зоне, частично перехваты-
ваются аэробами, которые составляют «бактериальный фильтр», а ча-
стично попадают в атмосферу, откуда снова вовлекаются в круговорот.
Азот из атмосферы фиксируется (биологически закрепляется) почвен-
ными микроорганизмами. Таким образом газы являются переносчика-
ми энергии из анаэробной зоны в аэробную.
108
Превращения органических веществ и обмен газообразных продук-
тов микробного метаболизма сопровождается взаимодействием почвен-
ных микроорганизмов с первичными и вторичными минералами почвы.
По своему значению для биосферы этот процесс сопоставим с фото-
синтезом и фиксацией молекулярного азота, так как минеральные эле-
менты, первоисточник которых находится в литосфере, необходимы для
Рис. 46. Образование газов почвенными микроорганизмами (по Г. А. Заварзину,
1981, с изменениями)
жизни всех организмов па Земле. В процессе почвообразования про-
исходит разрушение минералов породы и извлечение элементов, кото-
рые поступают в обменные реакции биосинтеза. Без снабжения расте-
ний из почвы такими элементами, как фосфор и калий, поступающими
из минералов, было бы невозможно создание первичной растительной
продукции. Разрушение минералов происходит частично под влиянием
корневых систем растений, но в наибольшей степени оно осуществ-
ляется в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов,
которые образуют органические и минеральные кислоты, щелочи,
а также выделяют во внешнюю среду синтезированные ими фермен-
ты, полисахариды, фенольные соединения. Эти вещества прямо или
косвенно взаимодействуют с минералами, разрушая кристаллические
решетки, образуя комплексные соединения, переводя элементы из одной
формы в другую с изменением валентности и подвижности.
Таким'образом, роль почвенных организмов проявляется пе толь-
ко в деструкции органической массы растений и животных, но также
в контроле газового состава атмосферы и преобразовании литосферы,
граничащей с почвой.
.Высокая активность и огромные масштабы совершаемых микро-
организмами планетарных превращений веществ обусловлены их ог-
ромной численностью, повсеместным распространением, необычайной
•скоростью роста и разнообразием метаболических процессов.
109
Биомасса грибов и бактерии в пахотном слое почвы составляет
до 5 т па 1 га, численность бактерий достигает миллиардов клеток
в 1 г, а длина грибных гиф — до 1000 м в 1 г почвы. Благодаря ми-
кроскопическим размерам одноклеточные и мицелиальные микроорга-
низмы обладают высоким показателем соотношения поверхности и
объема, что обеспечивает быстрый и интенсивный обмен между клет-
кой и окружающей средой.
Одним из важнейших факторов деятельности микроорганизмов,
в почве, который оказывает существенное влияние на ход и интенсив-
ность всех процессов, является формирование природных группировок,,
в которых все члены взаимно зависимы друг от друга. Это сиитроф-
ные ассоциации и метабиотические цепи. При синтрофпом росте ассо-
циация быстрее и полнее усваивает субстрат, чем в отдельности каж-
дая популяция, входящая в ее состав. В метабиотических цепях каж-
дый последующий организм усваивает тот субстрат, который является
конечным продуктом деятельности предшественника. В результате
микроорганизмы оказываются способными утилизировать бесконечное-
множество различных соединений — природных и создаваемых чело-
веком (ксенобиотиков). Наиболее стойкие природные соединения —
лигнин и гумус — тоже подвергаются микробной деградации, хотя и
более медленно, чем другие вещества растительного происхождения.
В процессах преобразования различных веществ в почве участвуют
микроорганизмы «широкого профиля деятельности» и функционально
специализированные вплоть до таких уникальных бактерий, как нитри-
фикаторы, у которых окисление аммиака или нитритов сопряжено
с фиксацией СО2, или сульфатредуцирующие, способные к анаэробно-
му дыханию за счет сульфатов. В других случаях одни и тот же про-
цесс осуществляется разными и очень далекими в таксономическом
отношении микроорганизмами, активность и конкретное проявление
деятельности которых будет определяться их конкурентоспособностью
в условиях данной среды. При изменении обстановки одна группа бу-
дет заменяться другой (принцип дублирования), по конечные резуль-
таты будут сходными. Например, разложение целлюлозы в почве про-
водят разнообразные группы организмов: в луговых почвах преимуще-
ственно миксобактерии, в кислых лесных — грибы, в нейтральных
сухих почвах — актиномицеты. Совокупность микроорганизмов, спо-
собных осуществлять одну и ту же общую физиологическую функцию
в цепи превращения веществ в природе, носит название физио-
логической группы. Примерами могут служить физиологические
группы микроорганизмов, участвующих в превращениях азота (тари-
фикаторы, аммонификаторы, депитрификаторы, азотфиксаторы) или
серы (серные, тионовые, сульфатредуцирующие).
ОСОБЕННОСТИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ У МИКРООРГАНИЗМОВ
Многообразное проявление деятельности микроорганизмов в при-
роде определяется особенностями их метаболизма. Метаболизм, или.
обмен веществ, — совокупность процессов распада и синтеза, обеспе-
110
чивающих поддержание, рост и размножение организма. Обмен ве-
ществ имеет две стороны: он слагается из энергодающих процессов,
которые объединяются понятием катаболизма, и из энергозависи-
мых процессов синтеза макромолекул, или анаболизма (рис. 47).
Существует принцип биохимического единства жизни на нашей
планете, который заключается в универсальности определенных про-
цессов и явлений. Так, универсальны «строительные блоки» (например,
'белки состоят из аминокислот), кванты биологической энергии (АТФ),
Источники
энергии
Источники
углерода
Рис. 47. Схема метаболизма бактерий
генетический код, пути расщепления сахаров, дыхательная цепь. На
фоне этого единства у микроорганизмов прослеживается много специ-
фического в процессах катаболизма и анаболизма, что выражается
различиями источников энергии, источников углерода и восстановителя
(водорода или электронов). Источниками последнего либо служат
реакции катаболизма, либо он поступает извне.
По получаемой энергии микроорганизмы делятся на фототроф-
ные (световая энергия) и хсмотрофныс (химическая). По суб-
стратам анаболизма (источникам углерода) они дифференцируются
на две главные группы автотрофов, которые фиксируют СО2 для
конструктивного метаболизма, и гетеротрофов, которые нуждают-
ся в готовых органических веществах разной степени сложности. По
донору электрона различают лптотрофы (неорганический источник)
и оргаиотрофы (органические вещества как источник водорода).
111
Есть микроорганизмы, способные переходить от одного типа питания
к другому, например, от фотоавтотрофии к хемогетеротрофии. Такие
организмы называют м и к с о т р о ф а м и. К ним можно отнести, на-
пример, зеленую водоросль Chlorella vulgaris, которая может расти
как па свету, так и в темноте за счет фотосинтеза или гетсротрофно.
Миксотрофами являются и водородные бактерии. Автотрофные микро-
организмы С. Н. Виноградский назвал хсмосиитезирующими, а про-
цесс окисления неорганических соединений для получения энергии —
аноргоксидацией. Деление на авто- и гетеротрофов используется
в микробиологии наиболее часто.
Катаболические процессы (реакции получения энергии) — это от-
нятие и перенос водорода (электрона). В зависимости от конечного
акцептора водорода, образующегося при дегидрировании, различают
следующие энергетические процессы у микроорганизмов: 1) дыхание
(перенос иа кислород); 2) брожение (перенос на органические акцеп-
торы); 3) анаэробное дыхание (перепое па неорганические акцепто-
ры — сульфаты, нитраты, хроматы). У бактерий есть также фотосин-
тетическое фосфорилирование: образование ЛТФ за счет световой
энергии.
Анаболические процессы, или конструктивный (строительный) ме-
таболизм, связаны главным образом с источниками углерода и азота,
которые могут быть в органической и неорганической форме, тогда как
все другие элементы микроорганизмы получают в виде минеральных
солей. Соотношение С:\ в биомассе бактерий составляет 5:1, а в
среде оптимальное соотношение должно быть 25 : 1, так как 1/5 часть
углерода включается в вещества клеток, а 4/5 расходуется па энерге-
тические нужды. Источниками углерода служат СО2 и (или) органи-
ческие соединения. В качестве источников азота выступают белки, пеп-
тиды, аминокислоты, нитраты, аммонийные соединения и молекуляр-
ный азот. Кислород и водород поступают из воды. Кроме источников
основных элементов-органогенов, зольных элементов и микроэлемен-
тов многие микроорганизмы нуждаются в специфических веществах,
которые носят название факторов роста. Такими факторами ро-
ста у микроорганизмов могут быть витамины, аминокислоты, пурино-
вые основания. Независимые от факторов роста микроорганизмы при-
нято называть прототрофами, а их мутанты, нуждающиеся в каком-
либо. ростовом факторе, — ауксотрофам'и. Ахксотрофиые мутанты
широко используются в. генетических исследованиях, где потребность
в факторе роста служит маркером для изучения скрещивания и рас-
щеплений в потомстве.
Специфические потребности микроорганизмов в источниках пита-
ния, факторах роста или микроэлементах .делают их удобными объек-
тами для использования в качестве биологических ппдика’то-
р о в, например, при определении потребности почвы в удобрениях, при
количественном анализе .содержания витаминов или микроэлементов
в почве. Впервые на свойства микроорганизмов как химических реак-
тивов обратил внимание В. Л. Омелянский. В 1906 г. он написал
статью «О применении бактериологического метода при химическом
112
исследовании», в которой отмстил две особенности микроорганизмов
как биологических индикаторов: их высокую специфичность и исклю-
чительную чувствительность.
Все процессы катаболизма и анаболизма протекают не самопроиз-
вольно, а катализируются особыми ферментами.
Ферменты есть конститутивные, т. с. всегда присущие орга-
низму независимо от условий его роста, и и и д у ц и б с л ьн ы с, кото-
рые синтезируются клеткой только в присутствии соответствующего
субстрата. В этом одна из особенностей ферментных систем микро-
организмов. Другая особенность — образование экзоцеллюлярных
(внеклеточных) ферментов, которые расщепляют сложные молекулы
субстрата (целлюлозу, белки, лигнин, хитин, липиды, пектин) во внеш-
ней среде. При этом клетка может синтезировать много фермента и
поддерживать высокую активность процесса превращения экзогенного
субстрата. Результатом является переработка больших количеств раз-
нообразных веществ микроорганизмами при малой их биомассе. Эта
особенность микроорганизмов широко используется человеком в таких
процессах, как, например, пектиновое брожение, происходящее при
мочке прядильных растении.
ПРЕВРАЩЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ УГЛЕРОДА
И КРУГОВОРОТ КИСЛОРОДА
В круговороте углерода и кислорода находит наиболее явное вы-
ражение взаимная зависимость и связь всех живых существ па Зем-
ле. Благодаря „участию в этом цикле микроорганизмов как деструк-
тивного звена происходит замыкание круговорота и совершается цик-
лическое превращение веществ и энергии в биосфере. В этом — глав-
нейшая функция микроорганизмов, которая проявляется в основном
в почве.
В цикле углерода можно выделить два важнейших звена, имею-
щих планетарные масштабы и связанных с выделением и поглощением
кислорода: 1) фиксация СО2 в процессе фотосинтеза; 2) минерали-
зация органических веществ с выделенном СО2. Первый процесс совер-
шается в основном растениями и обеспечивает выделение кислорода
в атмосферу. Второй производится микроорганизмами и идет, как пра-
вило, с пог ющеписм кислорода (рис. 48). »
ПРЕВРАЩЕНИЯ ОДНОУГЛЕРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Из одноуглсродных соединений наибольшее значение па пашей
планете имеет СО2, так как из углекислоты создается вся первичная
органическая продукция. В атмосфере содержится около 0,03% СО2,
в почвенном воздухе — на порядок больше. Биологическое связыва-
ние углекислоты происходит в процессах фотосинтеза, хемосинтеза и
гетеротрофной фиксации. Фотосинтез идет в основном в наземном
слое биосферы, два последних процесса — преимущественно в почве.
Фотосинтез. Фиксация СО2 в фотосинтезе происходит за счет
ИЗ
световой энергии: CO2 + H2O-l-/?v->- (СН2О)д + О2. К фотоснитетикам
принадлежат высшие растения, водоросли, пурпурные и зеленые бак-
терии, цианобактерии. Указанное выше уравнение справедливо для
растений, водорослей и цианобактерий. Пурпурные и зеленые бакте-
рии в процессе фотосинтеза кислород не выделяют. Донором элек-
трона у них служит не молекула воды, а восстановленные соединения
серы, молекулярный водород пли органическое вещество (в анаэроб-
фиксация
Рис. 48. Круговорот углерода и кислорода
пых условиях). Пурпурные и зеленые серобактерии — обитатели прес-
ных и соленых водоемов, содержащих сероводород. Это в основном
водоемы застойного типа, заболоченные, где идет разложение органи-
ческих (белковых) веществ в анаэробных условиях. Фотосинтезирую-
щие серные бактерии редко можно обнаружить и в почве. Пурпурные
несерные бактерии, например RhodofTiicrobium, чаще выделяются из
почв. Морфологически это почкующиеся бактерии, сходные с почвен-
ными бесцветными Ну pho microb turn, но имеющие пигменты. Несерные
фотосинтезирующие бактерии — анаэробы, использующие органиче-
ское вещество в качестве донора электрона. Они способны к фотоасси-
миляции органических субстратов (фотогетеротрофы). В эволюцион-
ном плайе это, по-видимому, наиболее древние фотосинтетики. Сле-
дующий этап эволюции фотосинтеза — появление серных бактерий,
которые оказались способными к гетеротрофной, а затем и автотроф-
ной фиксации СО2 с восстановленными донорами электрона в виде
H2S. Позже донором электрона в фотосинтетическом восстановлении
114
С02 стала служить молекула воды, а фотосинтез оказался сопряжен-
ным с выделением свободного кислорода (цианобактерии, водоросли,
высшие растения). Этот тип фотосинтеза, независимый от присутствия
органических источников углерода и от доноров водорода, имеющихся
локально в среде, получил преимущество, что привело к доминирую-
щему положению растений на суше, а водорослей — в оксане, среди
фотосинтезирующих организмов. Фиксация СО2 у всех автотрофных
организмов происходит за счет универсального механизма, который
известен как цикл Кальвина.
Хемосинтез. Фиксация СО2 в хемосинтезе происходит за счет
энергии окисления внешнего неорганического донора электрона. Этот
процесс был описан впервые С. II. Виноградским в конце прошлого
века и назван апоргоксидацией. Хсмоавтотрофы известны только среди
бактерий. К хемосинтезирующим организмам принадлежат иитрифи-
каторы, карбокепдобактерии, серобактерии, тионовые, железобактерии,
водородные бактерии. Они называются так по субстратам окисления,
которыми могут быть XII3, NO2, СО, H2S, S, Fc2+, П2. Некоторые ви-
ды — облигатные хемолитоавтотрофы, другие — факультативные.
К последним относятся карбокепдобактерии и водородные бактерии.
В отсутствие органических веществ они используют энергию окисления
водорода пли СО для фиксации СО2, а при наличии органических
соединений переходят на гетеротрофный тип питания, т. с. ведут себя
как миксотрофы.
Гетеротрофная фиксация СО2. Помимо фото- и хемосин-
теза, где углекислота служит единственным источником углерода, СО2
может ассимилироваться гстеротрофно, путем присоединения к гото-
вым углеродным цепям. К гетеротрофному связыванию углекислоты
способны п такие фотоавтотрофы, как высшие растения. У микроорга-
низмов эта способность впервые была обнаружена А. Ф. Лебедевым
(1921) при работе с грибами. Акцепторами СО2 могут быть различные
органические кислоты, чаше всего пировиноградная:
СН3СОСООН ф СО2 —COOI ICI LCOCOOH
щавелево-уксусная
' кислота
Более 10% биомассы микроорганизмов может быть из СО2, как это-
было показано в опытах с дрожжами при использовании меченной по
углероду 14СО2.
Образование метана биологическим путем из СО2 и други?:
одноуглеродпых источников — метановое брожение — происходит в бо-
лотах, в иловых отложениях озер, в мстантэпках, в рубце жвачных
животных. В почве этот процесс протекает там, где складываются
анаэробные условия и образуется водород в первичных процессах анаэ-
робного превращения органических веществ. Метапобразующие бак-
терии — вторичные анаэробы, так как они перерабатывают продукты,,
поступающие от других анаэробов. Меган образуется из ацетата пли
за счет восстановления СО2, СО, муравьиной кислоты или метанола
водородом по следующей схеме: СО2Ч-4Н2->СН4Ф2Н2О. Примерно-
115
1/3 природного метана образуется из СО2. Один из наиболее известных
возбудителей метанового брожения — Meihanosarcina barkeri. Этот
микроорганизм образует конгломераты клеток с газовыми вакуолями,
что придает ему свойство всплывать на поверхность при заполнении
вакуолей. После «стравливания» метана клетки увеличивают плот-
ность и опускаются на дно в анаэробную зону, где снова осуществляют
процесс образования метана. Группа метанобразующих бактерий гетс-
рогсппа. Среди них есть кокковидпыс, палочковидные, сарциноподоб-
иые организмы и спириллы. Все метаногенные бактерии относятся
к подцарству архебактерий среди прокариот.
О к и с л е н и е метана — биологический процесс, который актив-
но протекает в районах метаногенеза — в местах газовых и нефтяных
месторождений, в переувлажненных почвах, в поверхностной пленке
болот. Метапокисляющис бактерии перехватывают метан, который об-
разуется в анаэробной зоне, и окисляют его до СО2 через метанол,
формальдегид и муравьиную кислоту: С1Ц-> СН3ОН-> CHOI I->
НСООНСО2. Этот путь диссимиляции (катаболизма) осуществ-
ляется с участием ферментов цепи переноса электрона. Ассимиляция
углерода метана происходит на уровне формальдегида несколькими
путями, отличными от автотрофной фиксации СО2 в цикле Кальвина.
Микроорганизмы, окисляющие метай, получили название мстилотро-
фов. Среди них есть облигатные формы, использующие в качестве
углеродного источника питания метан или его производные — метанол
и метиламины, и факультативные метилотрофы, ассимилирующие как
одиоуглсродные соединения (метанол, формальдегид, метиламин, но
не метав), так и другие органические вещества. Облигатные метило-
трофы — группа метанокисляющих бактерий сем. Methylomonadaceae,
которые относят к 4 родам: Meihylomonas, Methylococcus, Meihylosinus
и Methylocystis. Хотя формально их следует считать iстсротрофами (мо-
тан — органическое вещество), по по многим морфологическим и фи-
зиологическим признакам - они близки к таким литоавтотрофам, как
нитрифицирующие бактерии сем. Nilrobacteriaceae. Процесс окисления
метана сопровождается у них окислением аммиака до нитритов, они
имеют хороню развитую систему внутриклеточных цитоплазматических
мембран, пути метаболизма метанокисляющих бактерий сходны с та-
ковыми автотрофных нитратных бактерий.
Среди факультативных метилотрофов известны нс только прока-
риоты, но и представители одноклеточных грибов. Метилотрофпыс
дрожжи относятся к двум близким родам Pichia и Hansenula (сумча-
тые из Ascomycetes) или же к несовершенным из рода Candida. Наи-
более хорошо изученный вид С. boidinii. Ои активно растет па мета-
иоле и используется в промышленности для получения микробного
белка.
Микрооргапизмы-метилотрофы, особенно мстаиокнсляюшие бакте-
рии, вовлекая в биотический круговорот одноуглеродные соединения
группы метана, вносят значительный вклад в глобальный цикл угле-
рода, замыкая трофические цепи в специфических нишах биосферы.
Они представляют интерес и в практическом отношении как проду-
116
центы белка из дешевого сырья, а также как средство борьбы с мета-
ном в угольных шахтах.
Окисление окиси углерода микроорганизмами — процесс,
благодаря которому поддерживается природное равновесие этого газа
в биосфере; СО образуется техногенным путем в результате сгорания
разных видов топлива. Существуют и природные источники угарного
газа — извержения вулканов и биохимические реакции фотосинтеза,
приводящие к распаду порфиринового кольца хлорофилла. Удаление
окиси углерода из атмосферы происходит в результате се поглощения
почвой и окисления микроорганизмами. Ежегодно почва поглощает
4,1 Х1014 г СО, что лишь немногим меньше, чем образуется при сго-
рании топлива. В окислении СО участвует физиологическая группа
карбоксидобактерий. Среди последних много новых, недавно откры-
тых бактерий: Seliberici carboxydohydrogena, Pseudomonas gazolropha,
Comamonas compransoris, Achromobacler carboxydus. Карбоксидобак-
терии — автотрофы. Образующаяся в результате окисления СО угле-
кислота фиксируется в процессах анаболизма автотрофио через цикл
Кальвина, а не метилотрофно. Но автотрофия карбоксидобактерий не
облигатная. Они способны и к органотрофному росту, в том числе на
метаноле. Однако высокие концентрации органических веществ подав-
ляют их развитие, на основании чего их относят к олиготрофной груп-
пировке почв. Г. А. Заварзин (1978) относит их к микрофлоре рас-
сеяния.
ПРЕВРАЩЕНИЯ БЕЗАЗОТИСТЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИИ
Основной источник пополнения запасов углекислоты в атмосфе-
ре — распад растительных тканей с высоким отношением С : N. Если
бы пе постоянно идущие процессы минерализации, производимые поч-
венными микроорганизмами, вся углекислота за несколько десятков
лет могла бы быть исчерпана на фотосинтез. Органические вещества,
входящие в состав растительных тканей, можно по степени их слож-
ности и доступности для микробного разложения, разделить на сле-
дующие группы:
1) растворимые в воде соединения — сахара, органические кис-
лоты, спирты;
2) слаборастворимые — гемицеллюлозы;
3) нерастворимые — крахмал, пектин, клетчатка, воска, жиры,
смолы, углеводороды;
4) особо прочное соединение — лигнин.
Рассмотрим разложение этих веществ, последовательно по груп-
пам, в разных природных условиях — аэробных и анаэробных.
Р а з л о ж е и и е водорастворимых о р г а и и ч е с к и х со-
единений происходит в первую очередь после отмирания растений.
Потеря углеводов приводит к сужению отношения С : N в разлагаю-
щемся материале и торможению процесса распада. В аэробных усло-
виях углеводы разлагаются бактериями в актах дыхания с образова-
нием СО2 как конечного продукта деструкции. Грибы обычно окисляют
117
углеводы не до конца, а процесс идет с образованием иедоокнслепиых
продуктов, в первую очередь органических кислот: янтарной, лимон-
ной, уксусной и др. Органические кислоты в большом количестве обра-
Рис. 49. Типы брожений
зуются при анаэробном распаде углеводов — брожении. В зависи-
мости от возбудителей и конечных продуктов различают несколько
типов брожений (рис. 49). При сбраживании глюкозы дрожжами обра-
зуется этиловый спирт, при молочнокислом брожении главным или
единственным продуктом является молочная кислота, клостридии сбра-
живают глюкозу до масляной кислоты, пропионовые лактобациллы —
до пропионовой и янтарной. Спиртовое брожение вызывают, кроме
дрожжей, бактерии группы кишечной палочки и некоторые термо-
фильные анаэробные бактерии.
Гемицеллюлозы — это опорные вещества в растениях. Они
входят в состав древесины. Ксилаи — полимер ксилозы — занимает
по количеству второе место после целлюлозы. В соломе злаковых его-
118
содержится 20%, в древесине хвойных 12, лиственных — до 25%•
Гемицеллюлозы помимо растений имеются у грибов и дрожжей в со-
ставе их внеклеточных полисахаридов. Это полимеры сахаров и уро-
новых кислот. Из сахаров в состав микробных гемицеллюлоз входят
гексозы и часто пентозы. Например, полисахариды, из которых состоит
капсула почвенных дрожжей рода Lipomyces, имеют в основной цепи
повторяющиеся звенья из глюкуроновой кислоты и маннозы, а в боко-
вых цепях — галактозу; внеклеточные полисахариды других дрож-
жей — рода Cryptococcus содержат глюкуроновую кислоту, маннозу
и ксилозу. Разложение гемицеллюлоз — процесс неспецифический и
может осуществляться разными почвенными микроорганизмами: бак-
териями, грибами и актиномицетами. Ксилапаза — внеклеточный фер-
мент, он есть у многих грибов и некоторых дрожжей, как, например,
у обитателей лесной подстилки — дрожжей рода Trichosporon. На
ксилане активно растут шампиньоны. Ксилаиазу образуют и многие
целлюлозоразрушающие бактерии.
Крахмал — запасной полисахарид растений, он накапливается
главным образом в семенах и клубнях, где его содержание может до-
стигать 70—80%. Крахмал, как и целлюлоза, относится к группе гомо-
полисахаридов, или гомогликанов, так как он состоит только из моле-
кул глюкозы. Растительный крахмал представляет собой смесь двух
полисахаридов — амилозы и амилопектина. Амилоза — полимер
с неразветвлеиной цепью, скрученной витками, по 3 молекулы глюкозы
в каждом. На ее долю в крахмале приходится 20—25%, а па долю
амилопектина соответственно 75—80%. Амилоза растворима только
в горячей воде. При реакции с иодом она дает синее окрашивание.
Эта реакция используется для определения наличия у микроорганиз-
мов амилолитической активности. Амилопектин окрашивается от иода
в красно-фиолетовый цвет. Это разветвленный полимер с высоким мо-
лекулярным весом. Молекула амилопектина — одна из самых круп-
ных органических молекул. Растворяется в воде он лишь при нагре-
вании под давлением и дает очень вязкие растворы. Амилопектины
разных растений различаются по степени разветвленности, по длине
цепей и молекулярной массе. В растениях амилоза и амилопектин
сосредоточены в крахмальных зернах, имеющих слоистую структуру.
У разных растений образуются крахмальные зерна специфической фор-
мы. Крахмал разлагается внеклеточными микробными ферментами,
которые носят название амилаз. Они расщепляют крахмал с образо-
ванием декстринов, мальтозы, мальтотриозы и глюкозы. Амилаз не-
сколько, они различаются по характеру действия на молекулу амило-
зы и амилопектина. Например, сс-амплаза разрывает внутренние связи
и поэтому ее называют еще эндоамилазой. В результате ее действия
образуется много декстринов и немного мальтозы и глюкозы (рис. 50);
а-амилаза есть у многих грибов, дрожжей и некоторых бацилл. Глю-
коамилаза расщепляет крахмал до глюкозы. Этот фермент образуют
мукоровые грибы, аспергиллы и другие.
Микроорганизмы с высокой амилолитической активностью исполь-
зуются для промышленного получения амилаз. В спиртовой промыш-
119
ленности для осахаривания крахмала картофеля или зерновых исполь-
зуют растительные амилазы (солод), а затем образующиеся сахара
сбраживаются дрожжами до этилового спирта. В природе продукты
аэробного расщепления крахмала быстро используются сопутствую-
щими микроорганизмами и процесс заканчивается выделением СО2.
В анаэробных условиях мальтоза и глюкоза сбраживаются с образо-
ванием органических кислот, спиртов и газов (рис. 50).
Пектины в растениях образуют межклеточное вещество, из ко-
торого состоят так называемые
между собой отдельные клетки.
срединные пластинки, соединяющие
Они придают растительным тканям
прочность. Особенно много пек-
тина в ягодах и плодах. В анто-
новских яблоках содержание
пектина достигает 30%. В хими-
ческом отношении пектины — не-
разветвлеипые полимеры галак-
туроновой кислоты, карбоксиль-
ные группы которой полностью
или частично этерифицированы
метанолом. Пектиновые вещест-
ва — это смесь нерастворимого
в воде протопектина, раствори-
мого пектина, слабо или полно-
стью иеэтерифицированных пек-
тиновой и пектовой кислот и их
солей. В составе срединных плас-
Рис. 50. Схема разложения крахмала тинок пектиновые вещества пред-
ставлены главным образом не-
растворимым протопектином. На разные формы пектиновых
веществ действуют различные ферменты микроорганизмов. Про-
гопектпназы переводят нерастворимый протопектин в растворимые
формы; псктипэстсразы разрывают эфирные связи, в результате чего
образуются метанол и свободные пектиновые кислоты; полигалактуро-
назы разлагают цепь пектина на молекулы D-галактуроповой кислоты.
Пектины способны разлагать очень многие почвенные микроорганиз-
мы, а также некоторые фптопатогенные грибы и бактерии, которые
120
благодаря этому проникают в ткань растений и вызывают болезни
типа гнилей. В почве в анаэробных условиях пектины разлагаются
бактериями, в аэробных — главным образом грибами. Эти процессы
лежат в основе обработки лубяных растений (льна, конопли) для по-
лучения прядильного волокна. Росяная мочка проходит на поверхности
почвы в аэробных условиях и основными возбудителями процесса
разложения пектина в этом случае выступают грибы. Водяная мочка
заключается в погружении снопов растений на дно водоема. Здесь
в анаэробных условиях процесс обеспечивается анаэробными масляно-
кислыми бактериями рода Clostridium {Cl. pcclinovorum, Cl. felsi-
neuni). Псктолнтические ферменты, получаемые из почвенных микро-
организмов, находят широкое применение в технологических процес-
сах при производстве консервированных продуктов из плодов и ово-
щей. Препараты пектиназ внедряются в производство льняного во-
локна.
Целлюлоза — наиболее распространенное органическое соеди-
нение в природе, синтез ее по масштабам занимает первое место. Цел-
люлозу в основном создают высшие растения, которые на 40—70%
состоят из целлюлозы. В хлопке содержание целлюлозы достигает
90%. Очень немногие грибы (например, представители класса Ooniy-
cctcs) и отдельные виды бактерий (уксуснокислые Acetobacier xyli-
пит) тоже синтезируют целлюлозу. Синтез целлюлозы сопряжен с ее
разложением микроорганизмами. Разложение целлюлозы — едва ли
не колоссальнейший по своим масштабам естественный процесс. Имен-
но в этом звене круговорота углерода почвенные микроорганизмы вы-
ступают как геохимические агенты, обеспечивающие возврат углерода
в атмосферу в виде ССЦ необходимой для фотосинтеза. В этом основ-
ное, но не единственное, важное значение микробного разложения цел-
люлозы. С этим процессом связано образование в почве гумусовых
веществ и формирование почвенной структуры. Особенно важно под-
черкнуть участие в этом процессе микроорганизмов, поскольку пи
животные, ни растения, как правило, целлюлозу не способны разла-
гать. Даже жвачные животные, питающиеся растительным кормом
с высоким содержанием целлюлозы, не могут ее усваивать без помощи
тех микроорганизмов, которые живут в их пищеварительном тракте.
Очень редко способность разлагать целлюлозу обнаруживается у бес-
позвоночных животных: у некоторых моллюсков (например, у вино-
градной улитки), у корабельного червя, у простейших из кишечника
термитов, личинок жуков и т. п.
Целлюлоза представляет собой линейный гомополисахарид, со-
стоящий из глюкозных единиц. Молекулярная масса до 500 000. В од-
ной молекуле целлюлозы до 14 тыс. молекул p-D-глюкозы. Целлюлоз-
ные волокна включают микрофибриллы и мицеллы (кристаллиты) —
плотно упакованные цепи макромолекул, чередующиеся с аморфными,
или паракристаллическими, участками. Наличием этих участков
в структуре целлюлозы объясняется ее набухаемость и некоторые дру-
гие свойства, отличающие целлюлозу от истинно кристаллических
структур. Эти участки в первую очередь подвергаются ферментатив-
121
ному гидролизу. Разложение целлюлозы микробными ферментами про-
текает в несколько стадий. Первоначально гидролиз идет под дейст-
вием фермента, называемого Ci-фактором, а затем Сх-фермент превра-
щает се в целлобиозу. Далее р-глюкозидаза расщепляет целлобиозу
до глюкозы (рис. 51). В природе разложение целлюлозы — сложный
и комплексный процесс. Он совершается, по-видимому, при участии
Целлюлоза нативная
И ел л ю - I о за активная
Сх
Пслюбиоза, пеллогриоза. целлотетраоза
Ь - глюкозидаза
Глюкоза
Органические кислоты
Рис. 51. Схема разложения целлюлозы
микробных сообществ, в которых есть основной компонент, разла-
гающий молекулы целлюлозы, и микроорганизмы — спутники, исполь-
зующие продукты распада. Некоторые базидналыгые грибы имеют
полный комплекс целлюлолитических ферментов.
Изучение процессов разложения клетчатки в природе было начато
еще в прошлом веке под влиянием идей Пастера об анаэробных бро-
жениях. Поэтому в первую очередь изучали анаэробное разложение
целлюлозы. Биологическую природу этого процесса впервые установил
Л. Попов в 1875 г. Позже В. Л. Омелянский подробно изучал анаэроб-
ный распад клетчатки и выделил возбудителей этого процесса, один
из которых был назван в его честь Bacillus omelianskil. Это тонкие,
до 12 мкм в длину, слегка изогнутые палочки с округлыми или оваль-
ными терминальными спорами («барабанные палочки»). При анаэроб-
ном разложении целлюлозы образуется много органических кислот
(уксусная, янтарная, молочная, масляная, муравьиная), этиловый
спирт, СО2 и водород. Поэтому анаэробное разложение целлюлозы
сопровождается активным развитием сопутствующих микроорганизмов,
122
часто азотфнксаторов. Сбраживание клетчатки происходит в природе
и в условиях повышенных температур, например при разогревании
торфа, соломы, компостов. В этом случае основной возбудитель про-
цесса — термофильная бактерия Clostridium Ihcrmocellum. Выделен-
ный из горячих источников анаэроб Thermoanaerobacler elhatwlicus
при сбраживании клетчатки образует большое количество этанола.
Он использует кроме целлюлозы и продукты ее распада — целлобио-
зу и глюкозу, в отличие от Clostridium ihcrmocellum, рост которого
подавляется продуктами распада целлюлозы. Их совместное культиви-
рование дает возможность из целлюлозного сырья получать этиловый
спирт путем экономичной ферментации при высоких температурах.
Другая термофильная бактерия — Thcrmoanaerobitim brockii не ис-
пользует целлюлозу, но хорошо растет на целлобиозе, также проду-
цируя этанол. Этот микроорганизм выделяется из горячих источников
вулканического происхождения и имеет температурный диапазон роста
между 35 и 85° с оптимумом 65—70°.
В отличие от процесса анаэробного разложения целлюлозы, кото-
рый осуществляется только бактериями, в аэробных условиях клетчат-
ку разлагают многие микроорганизмы самых разных систематических
групп: истинные бактерии, миксобактерни, актипомицеты и грибы.
В кислых лесных почвах, где клетчатка в значительной степени
представлена мертвой древесиной, она более доступна для грибного
разложения. Поэтому в лесах главная роль в превращении целлюлозы
принадлежит грибам, в особенности почвенным микромицетам. Среди
них наиболее активны такие типичные подстилочные сапрофиты, как
Trichoderma viride, Chaelomium globosum, Myrothecium vcrrucaria,
а также некоторые виды родов Penicillium и Aspergillus. Характерная
особенность грибного разложения целлюлозы — выделение целлюлаз-
ных ферментов в среду. Поэтом}' грибы представляют промышленный
интерес для получения препарата целлюлаз после освобождения сре-
ды от мицелия. У бактерий целлюлазы — контактные ферменты, свя-
занные, по-видимому, клеточной поверхностью. Они работают только
in situ, и выделение ферментов из этих микроорганизмов представ-
ляет определенные трудности.
В почвах под травянистой растительностью — в степных и луго-
вых ландшафтах —- разложение целлюлозы осуществляют главным
образом миксобактерни и цитофаги, а также истинные бактерии и ак-
тином нцсты.
Жиры входят в состав всех растительных и животных тканей.
Некоторые органы растений, например семена, бывают очень богаты
жирами. В почве, обогащенной гумусом и растительными остатками,
липидная фракция может составлять 3% и более. Жиры разлагаются
в почве микроорганизмами, обладающими липазной активностью. При
разложении жиров образуются глицерин н жирные кислоты. В аэроб-
ных условиях глицерин быстро используется в. метаболизме многих
бактерий и грибов, а жирные кислоты более стойки и они накапли-
ваются в почве. В анаэробных условиях жирные кислоты восстанавли-
ваются до углеводородов. Липазы имеются у аэробных почвенных бак-
123
терпи, актииомицетов и грибов, а также у анаэробов из рода Clostri-
dium.
Углеводороды в почве представлены газообразными (метай,,
этан, этилен и др.), алифатическими и циклическими соединениями.
Об окислении метана говорилось выше. Алифатические углеводороды
с длинной цепью окисляют многие бактерии и дрожжи. Из бактерий
наиболее активны представители коринеформпой группы, псевдомо-
нады и нокардии, из дрожжей — виды родов Candida, Debaryomyces,
Schwanniomyces. Большое значение имеет длина углеродной цепи:
легче используются углеводороды, начиная с гсксадекаиа. Утилизация
углеводородов происходит в окислительных условиях, так как первый
этап воздействия на углеводородную цель — окисление концевого
углерода ферментами оксигеназами. Дальнейшее окисление протекает
по пути, который известен как р-окпеление жирных кислот. При низ-
ком парциальном давлении кислорода происходит накопление проме-
жуточных продуктов окисления углеводородов — жирных кислот, на-
чиная с С3 (пропионовой кислоты).
Разложение микроорганизмами ароматических углеводородов1
в почве имеет очень большое значение в круговороте углерода, так как
эти соединения входят в состав молекул лигнина. Способность разла-
гать ароматические углеводороды присуща многим грибам, некоторым
аэробным бактериям и дрожжам. Из бактерий наиболее активны
представители родов Pseudomonas и Arthrobacter. В анаэробных усло-
виях ароматические соединения могут ассимилироваться (только на
свету!) некоторыми фототрофными бактериями. Разложение цикличе-
ских углеводородов начинается с гидроксилирования — включения
в них оксигрупп н перевода в орто- пли парадноксифспилпроизводныс.
Далее следует разрыв кольца под действием оксигеназ, катализирую-
щих окисление субстрата кислородом. Боковые цепи и заместители
отщепляются, как правило, до разрыва кольца. Разрыв ароматического-
кольца происходит разными путями у разных микроорганизмов. Из
почв были выделены бактерии, разлагающие полициклические соеди-
нения углеводородной природы — нафталин, антрацен и фенантрен.
Промежуточным продуктом их распада является салициловая кислота.
Итак, большинство природных углеводородов частично или пол-
ностью окисляются микроорганизмами. Этот процесс важен в аспекте
самоочищения почвы от загрязнений нефтью и продуктами ее пере-
работки.
Лигнин (от лат. lignum — дерево, древесина) синтезируется
только высшими растениями и в количественном отношении уступает
только целлюлозе и гемицеллюлозам. В древесине лиственных пород
деревьев его содержится 20—30%, хвойных — до 50%. Лигнин отно-
сится к инкрустирующим веществам клеточной стенки. Он вызывает
одревеснение клеток и придает им большую прочность. Если целлю-
лозные микрофибриллы сравнить с арматурой железобетонных кон-
струкций, то лигнину следует отвести роль бетона. Химическое строе-
ние лигнина окончательно не установлено. Известно, что в разных
растениях он неоднороден. Сложность структуры определяется боль-
124
шим числом полимеризованных мономерных блоков, которые представ-
ляют собой производные фепилиропана. Основной мономер лигнина —
конифериловый спирт; он составляет главный скелет лигнипа хвой-
ных. В лигнине лиственных пород есть еще сипаповый спирт, а в лиг-
нине из соломы злаков — кумаровый.
Кумарокый спирт
Конифериловый спирт
Лигнин не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях,
дает цветные реакции, характерные для фенолов. В растительном
организме — это конечный продукт обмена, выполняющий только ме-
ханические функции. Разлагают его грибы и немногие бактерии. Про-
цесс протекает очень медленно, поэтому промежуточные продукты раз-
ложения лигнина накапливаются в почве. Основные разлагатсли лиг-
нина — базидиальные грибы. Некоторые из них разрушают лигнин
даже в живых растениях, например осенний опенок Ar miliar iell.ci mellea.
Древоразрушающие базидиомицеты, вызывающие белую гниль дере-
ва, наиболее активные разрушители лигнина вместе с некоторыми
подстилочными сапрофитами. Можно проследить сукцессию видов при
разложении лигнина. Процесс начинается еще в растущем дереве, на
котором поселяются базидиомицеты — паразиты родов Fom.es, Poly-
porus, Armillariella и др. На мертвой древесине появляется другая
группировка грибов: это деревоокрашивающие грибы Ceratostomella,
Cladosporium. Далее частично разрушенную древесину заселяют под-
стилочные сапрофиты — базидиомицеты с мелкими шляпочными пло-
довыми телами родов Collybia, Marasmius, Phallus, Lepiola, Mycena
и, наконец, в поздней стадии происходит колонизация остатков почвен-
ными грибами из группы несовершенных: Fusarium, Trichoderma, /ls-
pergillus, Penicillium, Rhizocionia. В более поздних стадиях разложе-
ния лигнина участвуют и бактерии, причем только грамотрицательные.
Древесина и опад лиственных деревьев разрушаются быстрее, чем
хвойных. Разложение лигнина идет обычно параллельно с распадом
целлюлозы. Оба эти процесса могут вызывать одни и те же организ-
мы. Например, у Polyporus abiciinus найдено до двух десятков внекле-
точных ферментов, среди которых есть и целлюлазы, и полифеполокси-
дазы, разлагающие лигнин, и, кроме того, ферментативный комплекс,
воздействующий на пектины, крахмал, гемицеллюлозы. Несомненно,
что в природе разложение лигнина совершается сложным комплексом
микроорганизмов и высших грибов, и этот процесс идет значительно
интенсивнее, чем при лабораторных анализах с чистыми культурами.
125
ЗАХОРОНЕННЫЙ УГЛЕРОД И ЕГО МОБИЛИЗАЦИЯ
Часть углерода на нашей планете закреплена в форме, не участ-
вующей в круговороте. Это, например, углерод горючих сланцев, обра-
зовавшихся на дне водоемов из остатков водорослей, или известняка,
подстилающего многие почвы. Известняки образуются из остатков не-
которых беспозвоночных. Этот углерод медленно вовлекается в цикл
благодаря процессам выветривания и почвообразования. Роль микро-
организмов в извлечении этого захороненного углерода сводится к об-
разованию кислот, которые способствуют растворению известняка и
.делают его доступным для растений.
В органической форме углерод закреплен в виде залежей торфа,
запасов нефти, газа и гумуса. За период геологической эпохи часть
торфа превратилась в каменный уголь. Без вовлечения этого углерода
в хозяйственную сферу деятельности человека он полностью оказался
бы изъятым из круговорота. Добыча горючих ископаемых — каусто-
биолитов — привела к быстрой минерализации этих запасов в про-
цессах сжигания. Нефть, газ и торф в аэробных условиях при извле-
чении их из геологических недр земли становятся доступными для
микробного разложения. Гумус хотя и насчитывает тысячелетний воз-
раст, все же медленно вовлекается в круговорот почвенными микро-
организмами.
ОБРАЗОВАНИЕ И ОКИСЛЕНИЕ ВОДОРОДА
По распространению в биосфере водород стоит на 3-м месте после
углерода и кислорода. Он входит в состав самого распространенного
в биосфере вещества -— воды, а также содержится во всех органиче-
ских соединениях, в природных газах, в залежах нефти, торфа, глин
и угля. Из «следовых» газов атмосферы водород занимает по значе-
нию и масштабам круговорота второе место после углекислого газа.
Круговорот молекулярного водорода в биосфере включает его образо-
вание в результате биогенных, геохимических и промышленных про-
цессов, с одной стороны, и окисление микроорганизмами — с другой.
Главный источник образования водорода — деятельность микро-
организмов в почвах и водоемах. Он образуется также в рубце жвач-
ных и пищеварительном тракте других животных, включая человека.
Способность выделять водород в процессах метаболизма присуща глав-
ным образом анаэробным бактериям, осуществляющим брожения.
Образование водорода у них связано с получением энергии. Это кло-
стридии. К облигатным анаэробам, образующим водород, относятся
сульфатредуцирующпе бактерии, к факультативным — в основном
энтеробактерии и близкие формы. Помимо того, к настоящему вре-
мени стало известно, что некоторые простейшие — анаэробные сим-
бионты животных — также выделяют водород. Из аэробных хемотро-
фов водород образуют азотфиксирующие бактерии —.клубеньковые,
азотобактер и другие, из фототрофов — пурпурные, зеленые и сииезе-
лспые бактерии, а также некоторые водоросли. Учесть количество во-
дорода, выделяемого почвенными микроорганизмами, весьма сложно
126
из-за того, что его образование в природных ассоциациях сопряжено
с параллельно идущими процессами потребления водорода. Цифры,
характеризующие связывание водорода почвой, по разным расчетам
колеблются от 16-Ю6 до 120-105 т/год.
Потребление водорода микроорганизмами идет в аэробных и
анаэробных условиях. Водород используют разными путями микро-
организмы многих таксономических, трофических и физиологических
групп. Среди них есть строгие и факультативные анаэробы, хемотро-
фы и фототрофы, азотфнксаторы и метилотрофы. Во всех случаях
использование водорода связано с участием ферментов — гидрогеназ,
которые у разных микроорганизмов различаются. Субстратами, с ко-
торыми связывается водород, могут быть такие, как кислород, окислы
азота, молекулярный азот, сульфаты, углекислота и органические со-
единения. Часть из образуемых продуктов в большом количестве может
накапливаться в среде. Наибольшее значение имеют водородные
бактерии, синтезирующие белок из СО2 за счет энергии окисления
водорода. Это хемолитоавтотрофные микроорганизмы, широко распро-
страненные в почвах. Они представляют единую физиологическую
группу, довольно разнообразную в отношении составляющих се таксо-
нов. Все водородные бактерии разделяются на грамотрпнательные
гидрогеномопады и грамположительиые коринеподобиые бактерии.
Благодаря тому что водородные бактерии «работают» на дешевом
сырье, они перспективны для использования в качестве продуцентов
'белка и для бпорегенерацнн воздуха в замкнутых системах, где водо-
род можно получать электролизом воды. В почвенных средах водород-
ные бактерии окисляют водород, поступающий от первичных анаэро-
бов, сбраживающих органические вещества в анаэробной зоне. Таким
образом, аэробные водородные бактерии удаляют водород, пользуясь
кислородом как акцептором электронов, т. е. выполняя в аэробной
зоне ту же функцию, что и вторичные анаэробы, которые переводят
водород в сероводород и метай в анаэробной зоне. Образование мета-
на из углекислоты и водорода — одно из важных звеньев круговорота
углерода.
На основе межвидового переноса водорода за счет его образова-
ния и потребления в природных экосистемах скла гываются прочные
микробные ассоциации, членов которых иногда трудно получить в виде
чистых культур. Таковы многие ассоциации с участием метаногенных
бактерий, целлюлозосбраживающих, азотфнксаторов. Деятельность
такого рода ассоциаций обеспечивает активное протекание многих
сложных процессов в природе, например, анаэробное разложение цел-
люлозы, пектина, ароматических соединений. Водород в этих процес-
сах выступает как ключевой метаболит, связывающий в одну систему
работу многих микроорганизмов.
КРУГОВОРОТ АЗОТА
Большие запасы азота иа нашей планете представлены его вос-
становленными и окисленными газообразными формами (N2, NH3,
N2O, NO, NOo), которые входят в состав атмосферы и содержатся
127
в почвенном воздухе. Молекулярный азот составляет главную часть
атмосферных газов: 78,09% по объему или 75,6% по массе.
В почве иммобилизовало азота в три раза больше, чем его содер-
жится в биомассе растений и животных. II при этом азот в почве
часто бывает в первом минимуме, так как он находится в недоступ-
ной для растений форме. Основная масса почвенного азота заключена
Рис. 52. Круговорот азота
в перегнойных соединениях, которые минерализуются очень медленно.
Это вызывает необходимость применения азотных удобрений, производ-
ство которых ежегодно возрастает. Внесение в почву 1 кг/га азота
в форме минерального удобрения обеспечивает в среднем повышение
урожая на 10 кг по зерну. Мировое сельское хозяйство ежегодно вы-
.носит с урожаем 110 млн. т. азота, а вносит в виде удобрений
48 млн. т (данные 1976 г.). Если учесть, что коэффициент использо-
вания минеральных удобрений равен примерно 50%, то потребности
в азоте покрываются лишь на 20—25% из расчета по урожаю. Осталь-
ная часть азота урожая берется из почвенных запасов и за счет его
биологической фиксации. Дальнейшее повышение продуктивности ра-
степли будет зависеть от увеличения производства минеральных удоб-
рений, рационального применения навоза и других азотсодержащих
отбросов, а также от эффективного использования «биологического»
(фиксированного микроорганизмами) азота.
Круговорот азота в природе разбивается на несколько основных
звеньев, в которых главными агентами .выступают микроорганизмы
(рис. 52). В этом круговороте участвует как молекулярный азот, так
и его разнообразные соединения — минеральные и органические.
128
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ФИКСАЦИЯ АЗОТА
Азотфиксации — главное звено в цикле азота, потому-что
именно этот процесс лимитирует все остальные звенья превращения
азота. Фиксация азота микроорганизмами — планетарный процесс,
который сопряжен с фотосинтезом растений и равен ему по масшта-
бам и значению. В ходе МБП было установлено, что общая продук-
ция микробной фиксации азота составляет от 270 до 330 млн. т/год.
Из них 160—170 млн. т/год дает суша и 70—160 млн. т/год — океан.
Для сравнения можно указать, что небиологические процессы свя-
зывания азота, идущие в атмосфере (газовые разряды) или в обла-
сти деятельности человека (работа двигателей внутреннего сгорания),
дают всего 0,5% фиксированного азота. Химический способ полу-
чения азотных удобрений по методу Габера—Боша, заключающийся
в восстановлении молекулярного азота водородом при температуре
400—500° и давлении в несколько сотен атмосфер, дает лишь около
5% и требует'огромных затрат энергии. В современный период раз-
рабатываются новые способы синтеза азотсодержащих соединений
при помощи металлорганических катализаторов в мягких условиях:
при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре.
Молекулярный азот — инертное соединение, так как два атома
в нем имеют тройную прочную связь. Она состоит из одной сг-компо-
ненты и двух л-компонент. Для того чтобы разорвать первую связь
(л-компоненту), требуется 125 кал на одну грамм-молекулу азота.
Следующие две связи в молекуле азота рвутся уже гораздо легче
(рис. 53). Фиксация азота представляет собой процесс его восста-
новления, или присоединения электронов. Он легче идет в присутст-
вии соединений переходных металлов, в качестве которых можно
использовать соли титана, ванадия, хрома, молибдена, вольфрама.
Восстановителями могут служить металлорганические соединения, гид-
риды металлов и т. д.
Способность к биологическому связыванию молекулярного азота
присуща только прокариотным микроорганизмам.
Азотфиксирующие микроорганизмы (диазотрофы) связывают мо-
лекулярный азот при атмосферном давлении и нормальной для жизни
температуре. Главную роль в этом процессе играет фермент нитроге-
наза, представляющий собой комбинацию из двух белков. Молекула
одного из них содержит два атома молибдена и около 30 атомов же-
леза, молекула другого — только железо (рис. 54). В активации мо-
лекулы азота участвует молибден или заменяющий его ванадий.
Соединения железа используются как переносчики 'электронов. Про-
цесс требует присутствия АТФ, энергия распада которой используется
для восстановления молибдена.
Образование нитрогеназы связано с наличием в клетке так назы-
ваемой nif-плазмиды, регулирующей синтез этого белка. Передача
nif-плазмиды от одного вида бактерий к другому может привести к по-
явлению способности к азотфиксации у новых микроорганизмов. На
этом основаны эксперименты в области генной инженерии.
5 Биология почв
129
В настоящее время признается, что очень многие бактерии, вклю-
чая синезелспые и актииомицеты, способны в той или иной мере фик-
сировать молекулярный азот. Азотфиксаторы известны среди анаэроб-
ных клостридиев, сульфатредуцирующих бактерий, энтеробактерий,
фотосинтезирующих анаэробов, спирилл, псевдомонад, актиномицетов
и других групп прокариот. Многочисленные указания на фиксацию
№ 2ЫН3
аммиак
h2n-nh2
гидразин
HN = NH
диимид
N=N
азот
Рис. 54. Схема строения активно-
го центра нитрогенезы
Рис. 53. Молекула азота и схема после-
довательного восстановления азота
азота эукариотпы.ми организмами — дрожжами, грибами, зелеными
водорослями и клетками высших животных — при проверках не под-
тверждаются, что соответствует современным представлениям об уни-
кальности этого процесса, характерного только для прокариотической
организации клетки.
Для осуществления азотфиксации необходимо большое количество
энергии, поэтому процесс активно идет в тех случаях, когда микро-
организмы находятся в тесном контакте с растением, которое служит
источником энергетического материала. Бактерии-диазотрофы либо
живут на поверхности разных частей растения в филлоплане (на ли-
стьях) и в рпзоплане (на корнях), либо внедряются в его ткани, обра-
зуя клубеньки (па корнях) и узелки (на листьях). Процессы связы-
вания азота клубеньковыми бактериями называют симбиотической
азотфиксацпей, а бактериями на поверхности растений — ассоциа-
тивной.
Клубеньковые б а к т е р и и образуют симбиотическое сообще-
ство с бобовыми растениями. Название этих бактерий связано с тем,
что при внедрении их в корень происходит разрастание ткани с обра-
зованием опухолевидных клубеньков. Известно около 13 000 видов
бобовых, из ппх у 1300 (10%) найдены клубеньки.
Первое описание наличия бактерий в клубеньках принадлежит рус-
скому биологу М. С. Воронину. В 1866 г. он впервые тщательно иссле-
довал срезы клубеньков на корнях люпина и обнаружил в клетках
ткани многочисленных бактерий. Его рисунки не оставляют сомнения,.
130
что он видел именно клубеньковые бактерии. Чистые культуры этих
бактерий впервые получил М. Бейеринк в 1888 г. Он назвал их Bacil-
lus radicicola. Сейчас все клубеньковые бактерии относят к роду Rhi-
zobium. Видовые эпитеты даются по названию того растения, на кото-
ром они преимущественно образуют клубеньки: Rh. leguminosaruni
(горох, вика, кормовые бобы, чечевица), Rh. phaseoli (фасоль), Rh.
Рис. 55. Заражение корня клубеньковыми бактериями
1 — бактерии в почве, 2 — начало инфекции, 3 — инфекционная нить, -1 — бактероиды
в клетке корпя
japonicum (соя), Rh. lupini (люпин), Rh. irijolii (клевер), Rh. mcliloli
(люцерна, донник), Rh. robinii (акация) и т. д. Культуры клубенько-
вых бактерий хранятся сейчас в коллекциях разных стран. Они яв-
ляются предметом многочисленных научных исследований и практиче-
ского использования.
Клубеньковые бактерии - обычные обитатели почв. Они представ-
ляют собой мелкие, не более 3 мкм в длину, подвижные грамотрпца-
тельиые палочки, очень сходные по многим признакам с псевдомона-
дами. Заражение растения происходит при прорастании семени, когда
корень разрастается в почве и клубеньковые бактерии приходят в со-
прикосновение с корневыми волосками. Последние выделяют особые
вещества белковой природы, получившие название лектинов. Бакте-
рии, в свою очередь, выделяют на поверхности клетки полисахариды.
Взаимодействие этих веществ определяет специфичность связи между
разными видами растений и бактерий. Дальнейшая последовательность
событий выражается в следующем. Корневой волосок под влиянием
размножающихся на нем бактерий начинает изгибаться и приобре-
тает форму ручки зонтика. Это прелюдия инфекции. В ответ на обра-
зование внеклеточных полисахаридов бактериями корневой волосок
выделяет фермент полигалактуроназу, который разрушает клеточные
стенки и «открывает ворота инфекции». Активно размножаясь и про-
должая выделять слизь, бактерии проникают в корневой волосок и
продвигаются в нем, преодолевая за сутки 100—200 мкм. Образуется
инфекционная нить. Попадая в тетраплоидные клетки корпя, бакте-
5*
131
рии наполняют их и постепенно из палочек превращаются в колбо-
видно раздутые клетки — бактероиды (рис. 55). В этот период клет-
ки корня активно делятся, ткань клубенька растет, клубенек приобре-
тает розовый цвет за счет образования леггемоглобина — вещества,
химически очень сходного с гемоглобином крови животных и человека.
Леггемоглобин в клубеньках локализуется в пространстве между клет-
Рис. 56. Схема работы бактероида
ками бактероидов и окружающими их мембранами растительного про-
исхождения. Синтез леггемоглобина производится растительной клет-
кой, а синтез исходного вещества — протогема — в бактероидах.
Таким образом, между клетками растения-хозяина и внедрившимися
в них бактериями устанавливаются тесные и сложные взаимоотноше-
ния. Каждый бактероид, окруженный мембраной, представляет собой
своеобразную «азотфиксирующую единицу» (рис. 56). Энергия, необ-
ходимая для восстановления азота, поставляется в процессе распада
АТФ, генерируемой митохондриями клетки-хозяина на окружающей
бактероид мембране. Леггемоглобин выполняет функции переносчика
132
кислорода к бактериальной клетке, которая нуждается в нем для ды-
хания. В то же время ферментная система связывания азота, синтези-
руемая бактериями, подавляется кислородом. Ее активность обеспечи-
вается поддержанием низкого парциального давления кислорода в тка-
нях клубенька.
Разные расы клубеньковых бактерий одного и того же вида отли-
чаются не только вирулентностью (способностью заражать растение),
но и активностью, или эффективностью, которая определяется по спо-
собности фиксировать азот в симбиозе с растением. Механизм фикса-
ции азота клубеньковыми бактериями тот же самый, что и у аэробных
(Azotobacter) и анаэробных (Clostridium) несимбиотических бакте-
рий. В основе его лежит процесс восстановления азота водородом
с участием нитрогеназы. Первым продуктом азотфиксации является
аммоний, который связывается углеводными скелетами с образова-
нием аминосоединений, в первую очередь аминокислот.
Вскоре после открытия роли клубеньковых бактерий в накоплении
азота бобовыми растениями делались попытки использовать эти бак-
терии для обработки семян бобовых перед посевом. Приготовленные
на основе клубеньковых бактерий препараты получили в разных стра-
нах свои названия. Изготовленный впервые в Германии в 1896 г. пре-
парат был назван нитрагином. В 1906 г. он был получен в Англии,
в 1907 г. — в США. В Чехословакии препарат клубеньковых называют
нитразоном, в Австралии — нитрофиксом. В СССР первые партии
нитрагина были изготовлены в 30-х годах. Существуют разные типы
нитрагина в зависимости от способа его приготовления: смесь бакте-
рий с сухим наполнителем для опыления семян; водная суспензия бак-
терий для опрыскивания; препарат для инокулирования семян методом
вакуумной инфильтрации. В нашей стране выпускают влажный пре-
парат на основе торфа — ризоторфин.
Инокуляция бобовых клубеньковыми бактериями особенно эффек-
тивна в случаях, когда в почве отсутствуют соответствующие расте-
нию микроорганизмы. Даже высокие дозы азотных удобрений заметно
не увеличивают урожаев бобовых растений. Это говорит об их способ-
ности полностью покрывать свою потребность в азоте путем его фик-
сации за счет клубеньковых бактерий. -Лишь очень высокие дозы азот-
ных удобрений (>300 кг/га азота) тормозят образование клубеньков.
До 30-х годов считали, что клубеньковые бактерии способны свя-
зывать молекулярный азот и в чистых культурах без растения. Эта
теория была отвергнута, когда появились более точные методы опре-
деления азота. В последние годы она вновь возрождена благодаря
тому, что после вскрытия механизма работы клубенька, для культи-
вирования клубеньковых бактерий применили специальные приемы,
воспроизводящие условия их пребывания в клетках рас гения-хозяина.
Для этого необходимо создание определенного окислительно-восстано-
вительного потенциала, наличие небольших («стартовых») доз связан-
ного азота и источника углерода в виде органических кислот, напри-
мер янтарной кислоты. Таким образом было доказано, что клубенько-
вые бактерии способны к азотфиксации в чистых культурах. Для неко-
133
при наличии кислорода.
более 250 видов разных растений, в том
которых обнаружены микробные
или листьях. Они описаны
Земле высших растений из
числе и голо-
с и м б и о- н т ы
для наиболее
голосеменных — гпнк-
даже
Рис. 57. Срез через клубе-
нек ольхи в электронном
микроскопе
1 — гифа актиномицета, 2 —
спорангий, 3 — везикула
(по Сустину С. О. и др.
1979)
обеспечением растущих
вольствием.
вуго
лема круговорота азота в природе имеет прямое отношение к практик
ческой деятельности человека.
торых представителей клубеньковых бактерий, как и для свободножи-
вущих азотфпкеаторов родов Derxia, Azotobacter и Azospirillum, пока-
зана возможность роста в условиях автотрофии — за счет использова-
ния Н2 и СО2
11звестно
семенных, у
на корнях
древних на
го. На листьях некоторых тропических растений образуются узелки,
в которых поселяются бактерии рода Klebsiella, фиксирующие азот.
На корнях деревьев (ольха), кустарников и полукустарничков (обле-
пиха, вереск и др.), травянистых растений! (лисохвост, щучка) давно
обнаруживали разрастания, похожие на
клубеньки бобовых. Выделить из них
• микроорганизмы-симбионты трудно. Еще
труднее доказать их участие в азотфик-
сации. Из клубеньков ольхи многократно •
удавалось выделить микроорганизмы, по
многим признакам близкие к актино-
мицетам (рис. 57). Они были отнесены
к новому роду Frankia. Длительно под-
держивать-их на лабораторных средах
пока нс удастся.
Микробные симбиоиты-диазотрофы
есть и у животных. Доказана способ-
ность к азотфиксации у бактерий ки-
шечной группы рода Escherichia, живу-
щих в качестве комменсалов в пищева-
рительном тракте человека. Найдены
азотфпкеаторы, обитающие во внутрен-
них органах морской свинки, домашней
свиньи. Описаны азотфиксирующие сим-
бионты у растительноядных сосущих на-
секомых и у термитов. Эта область ис-
следований еще мало разработана и ор-
ганизмы-симбионты во многих случаях
плохо идентифицированы. Здесь, по-ви-
димому, предстоит еще много открытий.
Проблема
г п ч е с к о г о азота,
ется в круговорот ;
микроорганизмами,
важнейшей проблемой нашей жизни —
потребностей населения планеты продо-
Продуктивпость сельскохозяйственных растений в пер-
очередь зависит от азотного баланса почв. В этом плане проб-
использовапня б по л о-
, который вовлека-
азотфикспрующими
тесно связана с
134
Один из путей ликвидации белкового дефицита — широкое исполь-
зование бобовых культур, зерно которых содержит до 40—50% белка
и до 20% жира. Белок бобовых включает незаменимые аминокисло-
ты — лизин, метионин, триптофан. По качественному составу он бли-
зок к белкам молока, мяса, яиц. Бобовые обогащают почву азотом.
В зависимости от условий роста растений они накапливают от 60 до
300 кг азота на гектар в год. При этом 2/3 усвоенного азота ^бобовые
растения берут из воздуха за счет его фиксации клубеньковыми бак-
териями и 1/3 — из минеральных соединений почвы. Однако из изве-
стных 13000 видов бобовых всего только 200 видов используются в
сельском хозяйстве. Посевные площади, занимаемые бобовыми, неве-
лики по сравнению с общим фондом обрабатываемых земель. В СССР
из общей пахотной площади в 226 млн. га под зернобобовыми нахо-
дится лишь 6,2 млн. га, под кормовыми бобовыми — 19 млн. га. В об-
щем бобовые культуры занимают 11% пахотных земель. В природных
биогеоценозах бобовые также составляют низкую долю. В зрелых
(климаксных) экосистемах они вообще отсутствуют. Поэтому, несмотря
на их большую эффективность в отношении связывания азота и обо-
гащения им почвы, в общем азотном балансе биосферы бобовые не
играют решающей роли.
Так называемые свободноживущие азотфиксаторы распространены
повсеместно. Однако их эффективность значительно ниже, чем у сим-
биотических микроорганизмов. Их активность повышается в том слу-
чае, если они развиваются в зоне корневой системы растения или не-
посредственно па корнях в ризоплане, т. с. в ассоциации с растением.
Опыты показали, что процесс ассоциативной азотфиксации сопряжен
с фотосинтезом (рис. 58) и протекает как в ризосфере, так и в филло-
сфере. Это доказывается наличием суточной ритмики обоих процессов.
Результаты экспериментов со стерильными растениями, к которым до-
бавляли смесь азотфиксирующих микроорганизмов, показали, что рас-
тения могут жить, целиком покрывая свои потребности в азоте за счет
азотфи1коации.
Почему же растение так сильно влияет на азотфиксацию? Уровень
азотфиксации определяется количеством доступной энергии. Для вос-
становления 1 М. Ns требуется 15—20 М АТФ Источниками энергии
в почве под растениями могут быть корневые выделения, слизи, про-
дукты корневого отпада — прижизненно отчуждаемые органические
вещества. Количество их определяется неоднозначно. Долгое время
считали, что они составляют незначительную долю от общей продук-
тивности растений, всего 1—5%. За последние годы было показано,
что количество органического вещества, поступающего в ризосферу, в
3—4 раза превосходит количество корневых остатков в конце вегета-
ции. Корневая экссудация вместе с прижизненным корневым отпадом
за период вегетации может составить 25—30 и даже 40—50% от об-
щего количества фотосинтезированного углерода. Исходя из этого рас-
чета следует оценивать вклад несимбиотрофных почвенных микроор-
ганизмов примерно в 10—25 кг \т2 на гектар в год для почв средней
полосы и до 50—100 кг — в субтропической и тропической зонах.
135
Азот, накопленный биологическим путем, находится в форме орга-
нических соединений, преимущественно белка. Он накапливается по-
степенно, в течение всего вегетационного периода, и используется рас-
тениями только после отмирания микробных клеток и их распада, что
происходит относительно медленно.
Рис. 56. Сопряжение процессов фотосинтеза и азотфиксации (по
М. М. Умарову, 1982)
АММОНИФИКАЦИЯ
Процесс минерализации азотсодержащих органических соединений
с выделением аммиака носит название аммонификации. Этому про-
цессу подвержены белки и их производные — пептиды и аминокислоты,
нуклеиновые кислоты и их производные — пуриновые и пиримидино-
вые основания, мочевина и мочевая кислота, азотсодержащий поли-
сахарид хитин и гумусовые кислоты. В конце прошлого века француз
Э. Маршель показал, что процесс аммонификации носит универсаль-
ный характер и осуществляется многими микроорганизмами в широком
диапазоне условий, за исключением мест с очень жарким и сухим
климатом.
136
Аммонификация белков — наиболее динамичное звено в
цикле азота. При внеклеточных превращениях конечным продуктом
являются аминокислоты, и их накопление в почве служит одним из
показателей ее биологической активности. В процессе участвуют про-
теазы как микроорганизмов, так и растений. Далее аминокислоты либо
роваипе пирование пирование белка
II Р О Д У К Т Ы
кеюкислоты амины новые живая
оксикислоты СС)., амино- биомасса
углеродные „трупные кислоты
скелеты" яды
для катаболизма
+
NH.4
Рис. 59. Аммонификация белков
поступают в клетки микроорганизмов, либо вовлекаются в химические
реакции в почве или адсорбируются. Внутриклеточные превращения
аминокислот возможны по четырем направлениям: синтез белка, пере-
аминированис, декарбоксилирование и дезаминирование (рис. 59). При
дезаминировании выделяется свободный аммиак. В аэробных услови-
ях кроме аммиака при аммонификации образуется СО2 и окислы серы,
а в анаэробных — жирные и ароматические кислоты (бензойная, фе-
рулиновая и др.), спирты, индол, скатол, метилмеркаптан.
Образующиеся в переувлажненных почвах при анаэробиозе неко-
торые продукты аммонификации обладают фитотоксическими свойст-
вами и могут вызывать угнетение роста растений.
В процессе аммонификации помимо бактерий участвуют актино-
мицсты и грибы, но наиболее активные возбудители известны среди
бактерий родов Pseudomonas и Bacillus, например, В. pulrificus и
В. sporogenes. Для процесса аммонификации большое значение имеет
соотношение С : N в разлагаемом субстрате. Чем уже это соотношение,
137
тем выше эффективность аммонификации, определяемая по количеству
NH3 от общего количества превращенного азота. На каждые 100 г
разложенного органического вещества (т. е. 50 г углерода) бактерии
используют на синтез белка биомассы 2 г азота (C:N = 25). При со-
держании азота в органическом веществе разлагающейся растительной
массы менее 2% азот будет полностью иммобилизовали в клетках мик-
роорганизмов, а при более высоком его содержании (C:N<25) будет
выделяться аммиак. Это проявляется при использовании разных удоб-
рений. Отношение С : N в навозе узкое и его разложение поэтому со-
провождается накоплением аммиака, а для соломы C:N высокое и
внесение в' почву соломы без минеральных азотных удобрений приво-
дит к иммобилизации, т. е. закреплению, всего азота в микробных
клетках и азотному голоданию растений.
Аммонификация нуклеиновых кислот. Помимо внутриклеточных
превращений нуклеиновых кислот они подвергаются внеклеточному
распаду под действием нуклеаз, выделяемых микроорганизмами во
внешнюю среду. Внеклеточные ДН1\-азы и PH К-азы найдены у многих
микроорганизмов. Аммиак выделяется при распаде пуриновых и пири-
мидиновых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот.
Аммонификация мочевины и мочевой кислоты. Мочевина попадает
в почву с мочой млекопитающих, а также синтезируется почвенными
грибами. Например, ее содержание в шампиньонах достигает 13% су-
хой биомассы. В год на Земле образуется около 30 млн. т мочевины.
Это огромные ресурсы азота, так как мочевипа содержит 40% азота.
В сельском хозяйстве мочевина — одно из лучших концентрированных
азотных удобрений. Разлагают мочевину микроорганизмы, обитающие
в почве и в рубце жвачных животных. Поэтому мочевину добавляют
и в корма, а в рубце микроорганизмы переводят ес в белок. Разлагаю-
щие мочевину микроорганизмы образуют ферменты уреазы. Среди уро-
бактерий есть кокки — Micrococcus игеае, сарцнны — Planosarcina
игеае, бациллы — Bacillus probatus ( = Urobacillus pasteurii). В хими-
ческом отношении мочевина — это полный амид угольной кислоты.
Разложение се протекает следующши путем:
(NH2) 2СО + 2Н2О-> (NH4) 2СО2—>2NH3 + СО2 + Н2О.
Мочевая кислота — гетероциклическое соединение, производ-
ное пурина. Она образуется как конечный продукт белкового обмена
о
Молекула мочевой khgioiu
пресмыкающихся, насекомых и птиц. Экскременты змей содержат до
90% мочевой кислоты, а в гуано (помете птиц) она составляет 25%.
В моче млекопитающих концентрация мочевой кислоты ничтожна. Вы-
138
водится из организма мочевая кислота с минимальным количеством
воды или даже в твердом виде. Аммонификация мочевой кислоты в
местах скопления гуано приводит в аридных областях к накоплению
нитратов, так как образующийся аммиак окисляется нитрифицирую-
щими бактериями, а при низкой влажности нитраты не вымываются.
Таковы источники богатых залежей нитратов в Чили, Перу, Южной
Африке и на островах Карибского моря. Гуано используется как цен-
ное азотное и фосфорное удобрение, оно содержит около 9% азота,
13% фосфорной кислоты, калий и кальций.
Аммонификация хитина. Хитин — азотсодержащий полисахарид,
полимер ацетилглюкозамина. Он содержится в панцирных покровах
насекомых, в клеточных стенках мицелия грибов. При его разложе-
нии образуется уксусная кислота, глюкоза (и продукты ее превраще-
ния) и аммиак. Хитиназы особенно распространены у актиномицетов:
до 98% проверенных актиномицетов проявляли активность в разло-
жении хитина. Из грибов активную роль в разложении хитина играют
мукоровые и некоторые аспергиллы, например, Asp. fumigatus.
Аммиак, образующийся при микробном разложении вышеуказан-
ных соединений растительного и’Животного происхождения, претерпе-
вает далее различные превращения: 1) частично адсобируется в почве
на глинисто-гумусовых комплексах или нейтрализует почвенные кис-
лоты; 2) потребляется как источник азота в процессе метаболизма
почвенных микроорганизмов (иммобилизуется); 3) выделяется в ат-
мосферу; 4) окисляется в нитриты и нитраты. Последний процесс но-
сит название нитрификации и является единственным в цикле азота,
который..ведет к образованию окисленных форм азотистых соединений.
НИТРИФИКАЦИЯ
Биологическая природа образования в почве нитратов была уста-
новлена во второй половине прошлого века (Уорингтон, 1878). Пер-
вое предположение об участии микроорганизмов в этом процессе было
высказано Пастером. Выделить микроорганизмы, ответственные за
процесс образования нитратов, долгое время никому не удавалось.
С. Н. Виноградский применил для их выделения элективную среду,
представляющую собой раствор чистых минеральных солей, в том чис-
ле и сернокислого аммония, которым он пропитал пластинки кремне-
кислого геля. Отсутствие органических соединений в такой среде ис-
ключало развитие банальных гетеротрофов. В 1891 г. С. Н. Виноград-
ский выделил микроорганизмы, названные им нитрификаторами. Они
были представлены двумя группами, каждая из которых проводила
один из двух этапов окисления азота: сначала образовывались нит-
риты, а затем — нитраты. Углерод нитрифицирующие бактерии берут
из СО2, а энергия для восстановительной ассимиляции поступает в
результате окисления" аммиака. Этот процесс был назван хемосинте-
зом:
1. 2NH34-3O2=2HNO24-2H2O+158 ккал
2. 2HN2 + O2=2HNO34-43 ккал.
139
Все известные хемоавтотрофные нитрифицирующие микроорганиз-
мы — облигатно аэробные, грамотрицательные мелкие бактерии.
С. Н. Виноградский назвал род нитритных бактерий — возбудителей
первой фазы нитрификации — Nitrosomonas, а нитратных — возбуди-
телей второй фазы — Niirobacter. В настоящее время эти микроорга-
низмы детально изучены. Наиболее распространенный в почвах вид
Nitrosornonas europea представляет собой очень короткие овальные
палочки с субполярным жгутиком. Они образуют зооглейные скопле-
ния, в которых клетки теряют подвижность. Nitrobacier winograd-
skyi — почкующаяся бактерия клиновидной формы с чередованием
в цикле развития подвижной и неподвижной стадий. Это исключитель-
ный по необычному и редкому - (термически неустойчивому) субстрату
организм, окисляющий нитриты в нитраты с использованием образую-
щейся энергии для ассимиляции СО2. За прошедшие после работ Ви-
ноградского 90 лет к описанным нм организмам были добавлены лишь
немногие и главным образом за последние годы. Сейчас известно 4
рода нитритных и 3 рода нитратных бактерий. Почти все они содер-
жат всего по одному виду, которые различаются по морфологии, тон-
кой структуре клеток и типу окисляемых субстратов.
В современный период наиболее интересное открытие — гетеро-
трофная нитрификация. В 1926 г. Е. Н. Мишустин писал, что типич-
ная аммонифицирующая гетеротрофная бактерия В. subtilis на среде
с аммонием накапливала нитраты. В 1929 г. М. Александер в США
повторил эти опыты. В последние годы удалось установить, что у
гетеротрофных микроорганизмов, например у грибов, образование нит-
ратов — побочный процесс, идущий параллельно с окислением орга-
нического вещества. При этом процесс нитрификации не служит ис-
точником энергии. В природе гетеротрофная нитрификация имеет мес-
то везде, где аммиак образуется в условиях обилия органических
веществ, например в компостных кучах, в скоплениях гуано (проис-
хождение чилийской селитры тоже обязано, по-видимому, этому про-
цессу), в аэротэнках, в евтрофных водоемах. Масштабы этого процесса
в почве еще не определены.
После тою как Д. Н. Прянишников доказал, что растения исполь-
зуют соединения аммония, произошла переоценка значения нитратов
для питания растений. Особенно остро встал вопрос об азотном пи-
тании, когда стали применять сверхвысокие дозы нитратных удобре-
ний. Было показано, что растения используют не более 50% вносимого
азота нитратов, а остальная часть закрепляется в составе органиче-
ского и минерального вещества почвы, иммобилизуется в клетках мик-
роорганизмов, подвергается восстановлению в процессе анаэробного
нитратного дыхания — денитрификации и вымывается (рис. 60). Со-
ли азотной кислоты легко растворяются, проходят в глубокие слои
почвы и поступают в грунтовые воды. Оттуда они выносятся в реки,
моря и океаны. Объем поступлений азота с нитратами в воды состав-
ляет миллионы тони в год. Появилась необходимость ингибирования
процесса нитрификации. Его подавляют фумиганты, гербициды. Пред-
ложены 'промышленные препараты ингибиторов нитрификации, папрн-
140
мер, нитрапирин, представляющий собой 2-хлор-6(трихлорметил)-пи-
ридин. Большинство препаратов — ингибиторов нитрификации готовят
на пиридиновой основе. Эти препараты подавляют первую фазу авто-
трофной нитрификации (Nitrosotnortas'), но не действуют на гетеро-
трофную нитрификацию. Среди продуктов нитрификации кроме силь-
ных минеральных кислот, способствующих разрушению почвенных
Рис. 60. Судьба азотных удобрений в почве
-минералов, обнаруживаются газообразные соединения, например, за-
кись азота, а также канцерогены и вещества, обладающие мутаген-
ным действием (нитразин, гидроксиламин и др.).
Так же, как и в случае аммиака, судьба образующихся при нит-
рификации нитратов неоднозначна. Они претерпевают следующие пре-
вращения: 1) используются высшими растениями в процессах асси-
миляции; 2) вымываются в водоемы и вызывают их евтрофизацию;
3) закрепляются (иммобилизуются) микроорганизмами в процессе ас-
симиляторной нитратредукции; 4) восстанавливаются до молекуляр-
ного азота в результате диссимиляторной нитратредукции, или денит-
рификации.
] 41
ИММОБИЛИЗАЦИЯ ДЗОТА
Азот аммонийных и нитратных соединений, поглощенных микроб-
ными клетками, включается в органические полимеры и временно вы-
водится из круговорота, так как он становится недоступным для рас-
тений. Процесс иммобилизации сказывается на применении удобрений:
происходит снижение коэффициента использования азотных удобрений
растениями в условиях микробной конкуренции за субстрат. Доля
иммобилизованного азота зависит от применяемого удобрения и поч-
венных условий. В случае одновременного с минеральными удобрения-
ми внесения соломы в подзолистых почвах опа составляет 20%. В оро-
шаемом земледелии иммобилизация азота — это средство сокращения
потерь азотных удобрений от вымывания.
Процессы микробиологического закрепления азота следует учи-
тывать при выборе способов обработки почвы, противоэрозиониых ме-
роприятий и при внесении удобрений. Например, внесение соломы под
зерновые перед посевом закрепляет азот и вызывает азотное голода-
ние растений; запашка соломы осенью удерживает азот от вымывания;
солома, внесенная под бобовые, всегда дает положительный эффект.
Что происходит с микробной биомассой в почве? Опыты с тяже-
лым изотопом азота 15N показали, что мобилизация азота микробной
биомассы (по поступлению l5N в растение) происходит медленно: за
вегетационный период используется всего от 30 до 60% иммобилизо-
ванного азота.
ДЕНИТРИФИКАЦИЯ
Это процесс восстановления нитратов до нитритов и далее до мо-
лекулярного азота: NO3-->NO2_->NO—>N2O->N2. Он ведет к потере
почвенного азота и возврату его в атмосферу. Денитрификация может
быть прямой (осуществляется непосредственно микроорганизмами) и
косвенной (восстановление нитратов происходит химическим путем за
счет образования в анаэробных условиях водорода). В микробиоло-
гическом процессе восстановления нитратов участвует органическое
вещество. В анаэробных условиях при окислении органического веще-
ства или серы нитрат-ион выступает в качестве акцептора электрона
и процесс протекает аналогично дыханию:
органическое вещество (или сера) + KNO3->
->СО2 (или SO42-) + H2O + N2.
При этом выход энергии только на 10% ниже, чем при кислородном
дыхании. Образование АТФ происходит в цепи переноса электрона
ЦПЭ, где электрон через цитохром передается нитратредуктазе. Поэ-
тому денитрификацию называют еще анаэробным нитратным дыха-
нием. В аэробных условиях мнкроорганизмы-дснитрификаторы ведут
себя как обычные сапротрофы и окисляют органическое вещество в
акте кислородного дыхания. Таким образом, у них функционируют в
разное время две ферментные системы: цепь переноса электронов
142
с кислородным акцептором — в аэробных и восстановление нитра-
тов — в анаэробных условиях.
Способностью к денитрификации обладают многие почвенные мик-
роорганизмы. Наиболее активные денитрификаторы .известны среди
псевдомонад, обильно представленных в ризосфере. Это Pseudomonas
aeruginosa, Ps. fluorescens, Ps. stutzeri, а также Micrococcus denilrifi-
cans, некоторые мезофильные и термофильные виды рода Bacillus.
Очень своеобразный деннтрификатор — серная бактерия Thiobacillus
denitrifleans, восстанавливающая нитраты в процессе окисления серы.
Восстановление нитратов грибами не является анаэробным дыханием,
это побочный процесс.
Денитрификация — широко распространенный процесс, в резуль-
тате которого в атмосферу ежегодно поступает 270—330 млн. т N2.
Этот процесс по масштабам сравним с азотфиксацией. Особенно ак-
тивно он протекает в ризосфере растений, где имеется постоянно по-
ступающее с корневыми выделениями органическое вещество. На ак-
тивность процесса сильно влияет аэрация почвы, что, в свою очередь,
связано с водным режимом. В почвах с pH 7 в процессе денитрифи-
кации образуется закись азота N2O, в щелочных условиях выделяется
молекулярный азот.
Денитрификация — одна из причин неполного использования рас-
тениями вносимых в почву азотных удобрений (рис. 60). Уменьшения
потерь азота можно добиться путем применения гранулированных
удобрений, слаборастворимых азотных туков и дробным внесением
удобрений. Регулировать этот процесс можно также путем влияния
на водный режим почв. Предложены и химические ингибиторы дени-
трификации.
Денитрификацию не следует рассматривать как процесс, всегда
приводящий к отрицательным последствиям. Это один из природных
процессов, который имеет большое экологическое значение в связи с
тем, что он восстанавливает баланс азота в атмосфере и предохраняет
водоемы от чрезмерного накопления в них нитратов,, вымываемых из
почв.
ПРЕВРАЩЕНИЯ ФОС ЙОРА
Фосфор — исключительно важный биогенный элемент. По значе-
нию в питании растений он занимает второе место после азота, хотя
по содержанию в растениях он стоит среди других элементов только
на 11 месте. Сосудистые растения поглощают фосфор в значительно
меньших количествах, чем азот, кальций и калий. Тем нс менее его
значение для растений очень велико, так как он входит в состав важ-
нейших макромолекул клетки — некоторых белков, нуклеиновых и
аденозинфосфор пых кислот.
Фосфор составляет 0,12% массы земной коры, распределен в ней
неравномерно и энергично мигрирует в биосфере. Он подвержен био-
генному накоплению и миграции. Содержание Р2О5 в зональных поч-
вах СССР выражается следующими показателями (%):
143
подзолистые............................................0>Ю
серые лесные и выщелоченные черноземы.................0,13
обыкновенные и мощные черноземы.......................0,18
южные черноземы и каштановые почвы....................0,15
сероземы..............................................0,12
В 1 га пахотного слоя почвы содержится до 1—2 т валового фос-
фора, т. е. значительно больше, чем выносится с хорошим урожаем.
Однако в некоторых южных районах фосфор находится в первом ми-
нимуме и, как писал Д. Н. Прянишников, нужно добавить только один
элемент — фосфор, чтобы оживить чернозем, истощенный многовеко-
вой культурой без удобрения. Дело в том, что фосфор в почве нахо-
дится в труднодоступной для растений форме. Известно около 180 ми-
нералов фосфора, из которых наиболее распространены фосфаты каль-
ция. Основным источником фосфора в почвах служат нерастворимые
и слабораств-эримые фосфорсодержащие минералы группы апатита,
главным образом фторапатит.
Фосфор входит в состав многих органических соединений, которые
содержатся в почве в живых телах, в остатках растений и животных,
а также в гумусе. Фосфорорганические соединения составляют 10—50,
а иногда до 80% всего запаса фосфора в почве.
Коэффициент использования растениями фосфора из минеральных
удобрений чрезвычайно низкий — всего 15—20% (ср. азота — 50% и
калия 60—70%). У растений разных видов сильно различается реак-
ция на обеспеченность почвы доступными соединениями фосфора.
144
Очень сильное влияние на фосфорное питание растений оказыва-
ют микоризные грибы — симбионты корневых систем. Микосимбиотро-
фия распространена чрезвычайно широко. В настоящее время установ-
лено наличие микоризы у 80% растений: у всех голосеменных и у 78%
покрытосеменных. Она есть у растений разных жизненных форм — де-
ревьев и кустарников, кустарничков и трав. Растения с микоризой
встречаются во всех природных зонах, за исключением полярных пус-
тынь и высокогорий.
Однако значение микроорганизмов в питании растений фосфором
нс сводится только к микосимбиотрофии. Свободноживущие микроор-
ганизмы участвуют в процессах минерализации фосфорорганических
соединений и способствуют переводу нерастворимых форм фосфора в
растворимые. Эти процессы составляют основу превращения фосфора
в природе (рис. 61).
МИНЕРАЛИЗАЦИЯ ФОСФОРОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Органические фосфорсодержащие соединения в почве входят в
состав гумуса, торфа, навоза, растительных и животных остатков.
Фосфор содержится в них, в противоположность азоту и сере, в окис-
ленной форме, в виде остатка фосфорной кислоты. Наибольшая про-
порция фосфорорганических соединений от общего запаса фосфора
в почве содержится в черноземе (до 80%), а наименьшая — в серо-
земе (не более 10%)- Большая их часть находится в форме фитина
и фитатов, нуклеиновых кислот, фосфолипидов и гексозофосфатов. Жи-
вые клетки не способны поглощать большинство фосфорорганических
соединений. Последние должны быть разложены до свободных фос-
фатных ионов, из которых затем вновь синтезируются внутриклеточно
новые фосфорорганические вещества. Рассмотрим для примера раз-
ложение некоторых органических соединений, содержащих фосфор.
Фитин (соль инозитфосфорной кислоты) в кислых почвах закреп-
ляется в виде солей Fe и AI, а в щелочных и нейтральных — солей
Са и Mg. Под действием микробных ферментов — фитаз — от фитина
отщепляется 6 молекул Н3РО4.
Лецитин и другие фосфолипиды — сложные эфиры глицерина и
фосфорной кислоты — входят в состав цитоплазматических мембран.
Расщепляются с участием внеклеточных микробных ферментов — фос-
фолипаз.
Фосфорные эфиры сахаров гидролизуются неспецифическими фос-
фатазами. Фосфатазной активностью в той или иной степени обладают
все почвенные микроорганизмы.
Нуклеиновые кислоты (РНК, ДНК) также содержат остатки фос-
форной кислоты, которые освобождаются под действием микробных
нуклеаз, выделяемых многими почвенными микроорганизмами.
МОБИЛИЗАЦИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ФОСФОРА
Фосфор в составе неорганических соединений входит в структуру
первичных минералов или содержится в почве в виде нерастворимых
солей Са, Fe и А1. В качестве фосфорных удобрений применяют фос-
145
фориты и апатиты. Мобилизация из них фосфора происходит под дей-
ствием кислот — органических и неорганических. Сильные неоргани-
ческие кислоты образуют нитрпфикаторы (азотную) и тионовые бак-
терии (серную). Органические кислоты накапливаются в процессе ана-
эробных брожений и аэробных неполных окислений органических ве-
ществ грибами. Специфические органические кислоты продуцируют
лишайники. Роль микоризных грибов в снабжении растений фосфором
также определяется их способностью растворять фосфорсодержащие
минералы путем выделения органических кислот.
, Образующиеся под действием кислот микробного происхождения
растворимые фосфаты иммобилизуются в клетках микроорганизмов,
поглощаются растениями и частично вымываются в моря и океаны,
где образуют осадки. Процесс этот однонаправленный, так как очень
мало фосфора улетучивается в атмосферу или возвращается на сушу
в виде гуано. Перевод нерастворимых фосфатов в доступную для рас-
тений форму — главное движущее звено в вовлечении фосфора в био-
логический цикл. Общий поток превращений фосфора представляет
собой осадочный биогеохимический цикл, так как в океане образуются
«недоступные хранилища» фосфора.
КРУГОВОРОТ СЕРЫ
Сера — один из необходимых для жизни биогенных элементов,
входящих в состав некоторых аминокислот и растительных эфирных
масел. В природе сера претерпевает химические и биологические пре-
вращения, переходя из неорганических соединений в органические и
обратно. В виде неорганических соединений сера в почве бывает окис-
ленная (сульфаты, политиопаты), восстановленная (сульфиды и сво-
бодный H2S) и редко — молекулярная S2. При разложении остатков
животных и растений освобождаются серусодержащие аминокислоты,
где сера всегда находится в восстановленном состоянии.
Цикл превращений серы сходен с циклом азота-: он включает
окислительные и восстановительные звенья, а также звенья превраще-
ний без изменения валентности (рис. 62).
Ассимиляция сульфата растениями и микроорганизмами со-
провождается восстановлением серы. Это так называемая ассимиля-
торпая редукция серы, сходная с соответствующим процессом погло-
щения и восстановления нитратов. Процесс этот универсален для всех
организмов. Биологическое закрепление растворимых сульфатов в мик-
робных клетках носи г также название иммобилизации серы.
Минерализация серусодержащих органических соединений —
процесс неспецифический. Он осуществляется микроорганизмами, ко-
торые обладают протеолитическими ферментами и разрушают белки.
При аммонификации белков выделяется и аммиак и сероводород.
В аэробных условиях может образовываться окисленная сера и даже
сульфаты, в анаэробных вместе с сероводородом выделяются летучие
органические соединения типа меркаптанов.
146
Сульфаты в анаэробных условиях восстанавливаются до
сероводорода специфическими бактериями из группы облигатных ана-
эробов. Это узкоспециализированные микроорганизмы, которые ис-
пользуют сульфаты в качестве окислителя органических соединений в
процессе анаэробного дыхания (ср. с денитрификацией). Они могут
окислять и свободный водород, выступая как хемолитогетерютрофы:
Рис. 62. Круговорот серы
донором электрона для них служит Н2, а источником углерода — ор-
ганические вещества, например, лактат. В последние годы выделены
новые виды сульфатредуцирующих бактерий (De sulf one та lirnicola,
Desulf osar cina variabilis), которые способны расти в автотрофных ус-
ловиях, используя энергию окисления молекулярного водорода кисло-
родом сульфатов для фиксации СО2. Возбудители процесса сульфат-
редукцпи относятся к разным родам анаэробных бактерий: Desulfo-
vibrio — подвижные изогнутые палочки, не образующие спор, Desul-
fotomaculum — споровые палочки. Среди представителей первого рода
есть галофилы, среди вторых — термофилы. Найдены сульфатредук-
торы и среди кокков (Desulfococcus, Desulf osar cina). Распространены
сульфатредуцирующие бактерии в почвах с режимом, приводящим к
длительному анаэробиозу, например в почвах затопляемых рисовых
полей, а также в болотах, илах, лиманных грязях, в пластовых водах,
сопровождающих нефтяные месторождения. В подзол’ах мало сульфа-
тов, и биогенным путем сульфиды в них нс накапливаются. В щелоч-
ных и нейтральных почвах образуются нерастворимые сульфиды.
147
Накопление сульфида железа приводит к образованию черного ила.
С жизнедеятельностью сульфатвосстаиавливающих бактерий связыва-
ют процесс биогенного содонакопления. Провинции, где формируются
содовые солончаки, приурочены к низменным местам, например к пой-
мам рек, понижениям вокруг болот. Если коренные породы в этих
местах обогащены сульфатами, то в анаэробных условиях при затоп-
лении и разложении органического вещества образуется H2S, который
затем путем химических реакций преобразуется в Na2S и далее в
соду:
N a2S 4- Н2О 4- СО2—>N а2СОз.
Сульфатредуцирующие бактерии способны к образованию карбонатных
минералов. В определенных условиях их клетки бывают инкрустиро-
ваны кристаллами кальцита.
Окисление сероводорода и других недоокисленных соединений
серы происходит с участием разных специфических групп серных бак-
терий. В аэробных условиях окисление производят бесцветные серо-
бактерии и тионовые, в анаэробных — фотосинтезирующие пурпурные
и зеленые бактерии.
Бесцветные серобактерии сходны по строению с нитчатыми циано-
бактериями. Основное их отличие от последних — отсутствие пигмен-
та. Нити серобактерий либо свободно плавают в воде (Beggiatoa),
либо прикрепляются одним концом к неподвижным предметам, к рас-
тениям или водорослям (Thiothrix.). Они обитают в кислородной зоне
водоемов и производят окисление поступающего из анаэробной зоны
H2S до S2, которую откладывают внутри клеток. Так как для их
обильного развития требуется градиент О2 и H2S, то они образуют в
толще воды пленку па границе аэробной и анаэробной зон. В Черном
море, например, такая пленка была обнаружена на глубине 200 м.
Энергии окисления H2S до S2 оказывается достаточно для биологиче-
ского связывания СО2. Поэтому серобактерии — хемолитоавтотрофы,
использующие химическую энергию окисления неорганической серы в
виде H2S для синтеза органических веществ из СО2. Впервые это яв-
ление исследовал С. Н. Виноградский в 1888 г. С этой работой связано
открытие хемосинтеза у микроорганизмов.
Фотосинтезирующие серные бактерии, как и бесцветные нитчатые
серобактерии, в основном обитатели водоемов, но в отличие от послед-
них они анаэробы. Наличие в клетках пигментов бактериопурпурина
или бактериохлорофилла обусловливает соответственно красную или
зеленую окраску этих бактерий. Пурпурные бактерии (Chrotnalium)
откладывают серу внутри клеток, а зеленые (Chlorobium) — вне кле-
ток. В почвенных условиях они имеют небольшое значение, но могут
быть активны на затопляемых участках почв рисовых полей. Фотосин-
тезирующие бактерии замыкают анаэробный цикл серы за счет окис-
ления поступающего из анаэробной зоны H2S, образуемого сульфат-
ред у ц и р у ю щ и м и бактериями.
Одноклеточные тионовые бактерии широко распространены в поч-
вах. Впервые в чистую культуру тионовые бактерии выделил в 1904 г.
М. Бейериик, который дал им название Thiobacillus. Это название до
148
сих пор сохраняется за одной из групп тионовых бактерий, хотя из-
вестно, что они не образуют спор. К настоящему времени среди тио-
новых бактерий описаны новые роды — Thiospirillnm, Sulfolobus и
Thiomicrospira. Эти бактерии в аэробных условиях окисляют H2S,
сульфиды, тиосульфат, тетратионат, молекулярную серу и роданистые
соединения до серной кислоты. Энергия 'окисления используется па
синтез органических веществ из СО2 через цикл Кальвина, как у всех
автотрофных организмов. Акцептором электрона и водорода у них мо-
жет выступать свободный кислород (Thiobacillus thiooxidans) или в
анаэробных условиях — кислород нитратов (Th. denitrleans). Бак-
терии Th. ferrooxidans окисляют восстановленные соединения не только
серы, но и железа. Среди тионовых бактерий есть уникальные виды,
способные развиваться в очень кислых почвах с pH 3 и даже ниже
(Th. thiooxidans) или в щелочных (Th. thioparus).
Тионовые бактерии благодаря образованию сильной серной кис-
лоты участвуют в природном сернокислотном выветривании, увеличи-
вают подвижность нерастворимых фосфатов. Под действием этих бак-
терий происходит подкисление почв при добавлении серы к почвам со
щелочной реакцией.
Тионовые бактерии используются и в практической деятельности
для выщелачивания металлов из руд. Бактериальное выщелачивание
металлов за счет окисления содержащихся в руде сульфидов позво-
ляет вести добычу металла из бедного минерального сырья. Бактери-
альные методы выщелачивания обеспечивают один из этапов гидроме-
таллургии при минимальных энергозатратах.
Помимо биологического цикла серы в атмосфере Земли происхо-
дят превращения серусодержащих газов без участия живых организ-
мов. Сера в виде сернистого газа образуется в результате сжигания
нефти, а частично появляется в форме H2S и SO2 при извержении вул-
канов. Эти соединения окисляются в атмосфере, и образующаяся сер-
ная кислота возвращается на поверхность Земли и в почву. Вокруг
промышленных районов таким путем происходит сильное подкисление
почв вплоть до полной гибели растительности вблизи некоторых хими-
ческих предприятий. Это одна из проблем охраны почв от техногенных
загрязнений.
ПРЕВРАЩЕНИЯ КАЛИЯ
Калии — один из важнейших элементов, необходимых для расте-
ний. Он участвует в обменных процессах при синтезе аминокислот и
белков, в реакциях фотосинтеза. Калий в значительной степени регу-
лирует использование растениями азота. Между тем он относится к
элементам, содержание которых в доступной форме в почве ниже по-
требности в них растений, и поэтому необходимо внесение калия в
составе минеральных удобрений NPK.
Усваиваемый калий составляет всего 1—2% от его общего коли-
чества в почве. Основной запас калия находится в минералах и в со-
149
ставе органо-минеральных комплексов. Первичные минералы, содер-
жащие калий, это слюды (биотит и мусковит) и полевые шпаты
(ортоклазы и микроклины). Калий входит и во вторичные минералы:
каолин, монтмориллонит, вермикулит. Освобождение калия из мине-
ралов происходит в процессе биологического выветривания. Процессы
разложения минералов при взаимодействии с почвенными 'микроорга-
низмами и их метаболитами постоянно идут во всех почвах. В основе
этих взаимодействий лежат разные механизмы: растворение сильными
минеральными кислотами, образующимися- при нитрификации, при
окислении серы тионовыми бактериями; воздействие органических кис-
лот — продуктов брожений и неполных окислений углеводов грибами;
взаимодействие с внеклеточными аминокислотами, которые выделя-
ются в среду многими почвенными микроорганизмами. С минералами
взаимодействуют и продукты разложения микроорганизмами расти-
тельных остатков — полифенолы, таннины, полиурониды, флавоноиды,
а также продукты микробного биосинтеза, например полисахариды-.
Некоторые из этих веществ действуют в растворе (кислоты), другие
in situ на поверхности минералов (кислые гетерополисахариды).
В опытах Н. Н. Сушкиной и И. П. Цюрупа с микроклином (8,7% К),
биотитом (8,28% К) и бентонитом (1,89% К) в раствор вносили поч-
венные бактерии и через 100 дней обнаруживали освобождение из ми-
нералов более 50% калия. Рентгеноструктурный анализ подтвердил
изменение крупных и мелких частиц алюмосиликатов под действием
бактерий. Особенно активны в разрушении алюмосиликатов слизистые
бактерии, выделяющие большое количество кислых полисахаридов.
Среди них постоянно обнаруживается споровая палочка Bacillus cir-
culans. Из неспоровых в превращении минералов участвуют предста-
вители рода Arthrobacter. В общем же это процессы несненифические,.
в которых участвуют разнообразные почвенные микроорганизмы.
ПРЕВРАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗА
Железо относится к элементам с переменной валентностью,' и это
обусловливает его разную подвижность в восстановительных и окис-
лительных условиях. В первом случае оно активно мигрирует, во вто-
ром — инертно. Таким образом, основную роль в миграции железа в
почве играет окислительно-восстановительная обстановка. В виде же-
лезоорганических соединений железо мигрирует легко, в виде FeSO4 —
слабо, а трехвалентное железо подвержено коллоидной миграции. Же-
лезо в почве содержится в следующих формах: в составе минералов
(биотит, амфибол, пироксен); окисное нерастворимое (лимонит, гетит);
растворимое — FeCO3 (вивианит); пссвдюрастворимое — железо-гуму-
совые комплексы. В дерново-подзолистых почвах иллювиальные гори-
зонты содержат 4—7% железа, а в красноземе его запас составляет
8-17%.
Участие микроорганизмов в превращениях железа в почве, может
быть прямым и -косвенным. Рассмотрим несколько примеров.
150
1. Окисление железа в кислой среде происходит с участием спе-
цифических железобактерий, например Thiobacillus ferrooxidans. Про-
цесс окисления Fe2+->Fc3+ идет за счет кислорода воздуха и с обра-
зованием энергии, которая используется в форме АТФ -для фиксации
СО2 по типу хемосинтеза. Истинные железобактерии — хсмолитоавто-
трофы.
2. Окисление железа в нейтральной среде (в почвах гумитной зо-
ны) — процесс побочный для осуществляющих его микроорганизмов
и идет без использования ими энергии этого окисления. Как показала
Г. А. Дубинина, он проводится микробами-гетеротрофами, которые
удаляют этим путем образующуюся в их метаболических процессах
перекись водорода. Эта функция у них проявляется только в специ-
фических экологических условиях. К этой группе микроорганизмов
относятся представители самых разных групп прокариот. Из них в
почве распространены микоплазмы и представители рода Arthrobac-
ter, а в воде — нитчатые, скользящие и цианобактерии.
Микоплазмы (класс Mollicutes) — сапрофиты, но в олиго-
трофных условиях способны паразитировать на других прокариотах
или эукариотных организмах, например на грибах. Они окисляют же-
лезо и марганец, откладывая окислы на поверхности. Это мелкие по-
лиморфные клетки, прорастающие нитями. К ним относятся Melallo-
genium symbioticutn и Gallionella ferruginea.
A p т p о б а к т e p и и — типичные почвенные бактерии со сложным
циклом развития. К ним относятся многие бактерии, образующие отло-
жения железа, которые были по-разному описаны на основании морфо-
логических наблюдений их развития на стеклах, обрастания или в
педоскопах: Siderocapsa, Siderobacier, Sideronema, Naumaniella, Fer-
ribacteriutn.
3. Разложение железогумусовых комплексов в почве производят
гетеротрофные микроорганизмы, осаждающие желез-о в виде конкре-
ций и прослоек. Наиболее типичный для этого процесса организм —
почвенная бактерия Seliberia stellala, описанная Т. В. Аристовской.
Морфологически — это стебельковая бактерия, у которой стебельки
закручены спирально, а отдельные клетки собираются в розетки.
4. Мобилизация железа из почвенных минералов происходит за
счет тех же механизмов, которые приводят к освобождению калия,
т. е. благодаря образованию микроорганизмами слизей, фенольных
соединений, щелочей. При этом образуются комплексные соединения,
в которых железо мигрирует и аккумулируется в определенных гори-
зонтах почв.
5. Восстановление железа при сопряженном окислении органиче-
ского вещества пли водорода происходит в анаэробных условиях
с участием гетеротрофных мнкрооргаиизмов-полпфагов {Bacillus
или Clostridium) или анаэробных водородных бактерий из
Pseudomonas, у которых Fe3+ выступает в качестве акцептора элек-
трона и может быть заменен молекулярным кислородом в аэробных
условиях или кислородом нитратов — в анаэробных. Восстановленное
железо образует нерастворимый минерал — вивианит.
151
Таким образом, в превращениях железа в почве участвуют в ос-
новном микроорганизмы с неспецифическими функциями. Истинные
железобактерии — группа облигатно-ацидофильных автотрофных бак-
терий, участвующие также и в превращениях серы.
ПРЕВРАЩЕНИЯ МАРГАНЦА
Марганец относится к группе необходимых для жизни микроэле-
ментов. Его потребности покрываются микродозами, а в условиях его
избытка наблюдается токсический эффект. В почве марганец нахо-
дится в рассеянном состоянии в разных формах, в том числе и в виде
мегаллоргаиических комплексов. Как и железо, он имеет переменную
валентность и по-разному подвижен в зависимости от этого. Мигри-
рует марганец в почве главным образом в двухвалентной форме, в
этой же форме он и усваивается растениями и микроорганизмами.
В трех- и четырехвалентном состоянии марганец входит в состав же-
лезомарганцевых конкреций.
Бактерий, аналогичных желсзюокисляющнм хемолитоавтотрофам,
в природе не обнаружено, хотя известны микроорганизмы, способные
к аккумуляции и отложению марганца.
Превращения марганца в почве включают процессы его мобили-
зации из устойчивых природных соединений — минералов почвообра-
зующих пород, образование и разрушение металлорганических ком-
плексных соединений, биогенное окисление и аккумуляцию микроор-
ганизмами, восстановление. Наиболее изученный микроорганизм,
участвующий в окислении и аккумуляции марганца, — Metallogeniutn.
В окислительных процессах, разрушении минералов и в разложении
органо-минеральных комплексных соединений с марганцем участвуют
почвенные грибы, гетеротрофные бактерии, простекобактерии рода Ре-
domicrobium. Восстановление окислов марганца осуществляют факуль-
тативно-анаэробные микроорганизмы, которые понижают окислитель-
но-восстановительный потенциал среды. Специфических восстановите-
лей марганца типа дснитрификаторов нет.
ПРЕВРАЩЕНИЯ АЛЮМИНИЯ
Алюминий — один из наиболее распространенных элементов на
нашей планете и по содержанию в земной коре стоит на третьем
место после кислорода и кремния. В почве он находится в составе
первичных и вторичных минералов, гидроокиси и алюмоорганических
соединений, которые взаимно связаны (рис. 63). Мобилизация алюми-
ния из кристаллических решеток алюмосиликатных минералов проис-
ходит при участии почвенных микроорганизмов, метаболиты которых
либо образуют комплексные соединения непосредственно с алюминием,
либо выносят другие элементы из минералов, а алюминий, освобож-
даясь, связывается в металлорганические комплексы продуктами раз-
ложения растений или гумусовыми кислотами почв. В основе такого
преобразования лежат реакции хелатизацни. В форме металлоргани-
152
ческих соединений алюминий приобретает подвижность и мигрирует в
широком диапазоне pH. Эти процессы наиболее выражены в почвах
зон влажного климата и связаны с подзоло- и латеритообразованием.
В подзолистых почвах алюминий мигрирует в виде комплексных сое-
Рис. 63. Превращения алюминия (по Т. В. Аристов-
ской, 1980)
динений с гумусовыми кислотами и накапливается в значительных ко-
личествах в иллювиальном горизонте в форме алюмоорганнческих ком-
плексов с фульвокислотами.
Алюмоорганические соединения не только образуются в самой
почве, но и поступают в нее с растительными остатками в виде ком-
плексов алюминия с органическими кислотами, аминокислотами и
белками. Далее в зависимости от экологических условий алюмоорга-
нические соединения в почве претерпевают различные превращения:
1) выносятся за пределы почвенного профиля; 2) минерализуются;
3) закрепляются в составе гумусовых веществ. Первые два процесса
характерны для почв влажных субтропиков, третий — для почв под-
золистой зоны.
Процессы минерализации алюмоорганнческих комплексных соеди-
нений связаны с жизнедеятельностью почвенных микроорганизмов.
Экспериментальных работ в этой области пока очень мало. Т. В. Ари-
стовская с сотрудниками показала, что в разложении этих веществ
участвует комплекс грибов с организмами группы микоплазм — Ме-
tallogeniiim. В присутствии органо-минеральных соединений алюминия
или железа гифы грибов Penicillium sp. в симбиозе с Melallogenium
153
покрываются отложениями гидроокисей соответствующего металла. Из
этого можно заключить, что в определенной экологической обстановке
микроорганизмы типа MelaUogenium могут участвовать в накоплении
железа и алюминия, а также марганца (см. выше) в почвенном про-
филе.
Накопление железа и алюминия в почвах тропической зоны при
выносе кремния и оснований является, по-видимому, результатом ак-
тивного поглощения полуторных окислов растениями, которые «пере-
качивают» эти элементы из нижних горизонтов в верхние (Родин, Ба-
зилевич, 1965).
ДРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
За счет включения разных механизмов почвенные микроорганиз-
мы участвуют, по-видимому, в превращениях всех без исключения эле-
ментов, которые имеются в земной коре. Практически пет ни одного
элемента, который тем или иным путем не подвергался бы воздейст-
вию микроорганизмов или их метаболитов. Одни элементы вовлека-
ются в биологический круговорот, входя в состав органических ве-
ществ в процессе ассимиляции, другие окисляются, восстанавливаются
или аккумулируются, третьи осаждаются или растворяются, извлека-
ются из минералов, подвергаются миграции, включаются в комплексы
и т. д. и т. п.
Очень важны превращения, связанные с микроэлементами, кото-
рые необходимы микроорганизмам в очень малых дозах, но при этом
роль их необычайно велика, так как они входят в состав ферментов
и определяют .их активность. Такова, например, роль молибдена, вхо-
дящего в активный центр ферментов азотного цикла — нитрогеназы
и питратредуктазы; кобальта, ответственного за функции витамина
Bi2; меди, которая включается в простетическую группу ферментов —
оксидаз.
Известен ряд микроэлементов, которые не входят непосредственно
в молекулы ферментов, но косвенно влияют на их активность и на-
правление обмена веществ. К таковым относятся мышьяк, цинк, бор
и др. Мышьяк, например, входит в состав всех живых клеток в мик-
роколичествах. Его превращения в почве связаны с деятельностью
микроорганизмов. Содержание мышьяка в почвах обычно невысокое—>
от 0,001 до 0,0001%. Оно наиболее высоко в черноземах и в органо-
генных горизонтах почв лесной зоны. Количество мышьяка увеличи-
вается очень сильно за счет техногенных процессов. В его превраще-
ниях, аккумуляции и миграции участвуют грибы и бактерии. Окисле-
ние арсенита в арсенат — процесс биологический, о чем свидетельст-
вует угнетение его азидом натрия, подавляющим дыхание. Средн
бактерий, обусловливающих процесс окисления арсенитов, были опи-
саны неспоровыс грамотрицательные палочки из группы псевдомонад.
Некоторые микроорганизмы ответственны за удаление мышьяка из
почвы путем образования газообразных его соединений. Часть мышья-
154
ка фиксируется (иммобилизуется) клетками микроорганизмов за счет
включения в обменные внутриклеточные реакции.
Бор в почвах в основном входит в состав органических соедине-
ний, из которых он освобождается микроорганизмами. Роль бора про-
является в образовании и функционировании клубеньков на бобовых
растениях, так как он участвует в развитии сосудистой системы рас-
тений. Бор влияет на азотфиксацию клубеньковых бактерий, азото-
бактера и цианобактерий, а также стимулирует развитие многих аэроб-
ных и анаэробных бактерий и грибов. При малом содержании бора
в почве или в условиях, затрудняющих его выведение из органических
соединений, микроорганизмы выступают как конкуренты высших рас-
тений в отношении этого элемента, прочно удерживая его в своих
клетках в составе органических веществ.
Для многих элементов известны только отдельные звенья превра-
щений, связанных с деятельностью почвенных микроорганизмов. Есть
сведения, например, о связывании цинка органическими соединениями
б метаболизме грибов; о включении кобальта в молекулу В12 при син-
тезе этого витамина и др.
Микроорганизмы способны к аккумуляции в своих клетках эле-
ментов, которые содержатся в микроколичествах в почвах. Методами
радиоавтографии показано, что микробные клетки накапливают есте-
ственно-радиоактивные элементы, такие как уран, торий, радий. На
пленке после периода экспонирования микробных колоний, выращен-
ных в присутствии указанных элементов, подсчитывают число тре-
ков — следов радиоактивного распада элементов,’ аккумулированных
м 11 к роо рга н из м а м и.
Тионовая бактерия Thiobacillus ferrooxidans вызывает окисление
сульфидов и косвенно влияет на миграцию таких элементов, как
Си, Zn, Ni и других, путем создания активного химического окислителя
Fe2(SO4)3. Его взаимодействия с соединениями урана и ванадия изме-
няют валентное состояние этих элементов.
Известна роль микроорганизмов в процессах фракционирования
стабильных изотопов некоторых элементов — углерода, азота, серы,
селена, лития. Примером может служить деятельность бактерий, уча-
ствующих в превращениях серы. Первичная сера Земли представлена
сульфидами. Изотопный состав серы в горных породах подвержен зна-
чительным колебаниям. За стандарт изотопного состава серы прини-
мается сера метеоритов. Отклонения в соотношении легких (32S) и
тяжелых (33S, 34S, 36S) изотопов серы есть результат последующего
разделения атомов разного веса. Появление кислорода в газовой обо-
лочке Земли привело к образованию сульфатов. При их восстановле-
нии биологическим путем сульфатредунирующие бактерии производя!
фракционирование изотопов серы: в H2S они переводят атомы легкой
серы 32S, а в остаточном сульфате накапливается избыток тяжелого
изотопа 34S. Таким образом, изотопный состав серы океанических
сульфатов утяжелен на несколько процентов по сравнению с серой
метеоритов, а сульфидные месторождения обогащены легким изото-
пом серы. По возрасту биогенных отложений серных руд делают по-
155
пытки определить время появления кислорода на Земле, так как оно
примерно совпадает с началом сульфатредукции.
В естественных биогеохимических провинциях, где почва обога-
щена молибденом, медью, ванадием, свинцом, бором, марганцем, поч-
венные микроорганизмы проявляют повышенную способность к связы-
ванию этих элементов но сравнению с обедненными провинциями, что
связано, возможно, с адаптационными явлениями в отношении этих
геохимических факторов среды (Летупова, Ковальский, 1978).
Итак, вовлечение разных элементов в биологический круговорот
идет разными путями и имеет разные механизмы. Углерод и азот во-
влекаются в построение органических веществ и в основе их циклов
лежат процессы синтеза и минерализации органических макромоле-
кул, фиксация и возврат газообразных продуктов в атмосферу. Пре-
вращения фосфора и серы связаны с органическими веществами и
разрушением минералов. В превращениях калия, железа, марганца,
алюминия большую роль играют процессы разрушения и новообразо-
вания минералов, которые рассматриваются ниже. И превращения
органических веществ, и разложение почвообразующих пород имеют
две стороны: обеспечение растений элементами питания и роль в поч-
вообразовании.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЧВООБРАЗОВАНИИ
Почвообразовательный процесс — это сложная совокупность яв-
лений превращения и перемещения различных веществ в верхнем слое
земной коры; взаимодействия малого биологического и большого гео-
логического круговоротов веществ; баланса элементов, воды и тепла.
Из разного сочетания этих явлений, которые в различной степени вы-
ражены в конкретных условиях, складывается определенный тип поч-
вообразовательного процесса.
В каждом типе почвообразования можно выделить более общие
процессы и частные, специфические. К общим, относятся циклические
процессы поступления и разложения органических веществ, биологи-
ческой аккумуляции и выноса веществ из почвы, распада и синтеза
вторичных минералов. Специфичны для каждого типа процессы гу-
мусообразовапия и гумусонакопления, разложения первичных мине-
ралов и новообразования вторичных минералов. Среди частных почво-
образовательных процессов выделяют макро- и микропроцессы. Первые
охватывают всю почвенную толщу и ведут к образованию почвенного
профиля, вторые сосредоточены в микрозонах, в отдельных очагах,
что особенно характерно для некоторых микробиологических преоб-
разований. Процессы в пределах одного горизонта иногда называют
мезопроцессами.
В последние годы в почвоведении развивается новое учение об
элементарных почвенных процессах (ЭПП), основы которого были
заложены трудами С. А. Захарова, С. С. Неуструева, Б. Б. Полыпова.
Под такими процессами понимают тс, которые относятся только к поч-
ве. Они являются общими для всех типов, но их разное сочетание
156
дает все разнообразие почв. И. П. Герасимов выделяет 13 таких эле-
ментарных почвенных процессов, другие исследователи — больше
(1975). «Элементарными» их назвали потому, что из них, как из кир-
пичиков, слагается весь почвообразовательный процесс. Эти процес-
сы могут быть, в свою очередь, очень сложными. Некоторые из них
имеют биологическую природу и в основе их лежит биохимический
механизм.
Т. В. Аристовская предлагает по аналогии с ЭПП рассматривать
и ЭПБП — элементарные почвенно-биологические процессы, относя к
их числу следующие (1980): 1) разложение растительного опада;
2) образование гумуса; 3) разложение гумуса микроорганизмами;
4) деструкция минералов почвообразующей породы почвенными мик-
роорганизмами и их метаболитами; 5) микробное минералообразо-
вание.
Выделение ЭПП и ЭПБП — новое направление в почвоведении
л биологии почв и многое здесь еще предстоит проверять на практике
и развивать с теоретических позиции. Так, кроме указанных пяти про-
цессов, которые обязательно проявляются во всех почвах, хотя и в
разной степени, есть еще целый ряд процессов, специфичных только
для определенных типов почвообразования. К ним Т. В. Аристовская
относит глее-, ортштейно- и солеобразованис. Таких «факультативных»
почвенно-биологических процессов, характерных для некоторых спе-
цифических типов почвообразования, по-видимому, можно выделить
больше.
Мы рассмотрим в самой общей форме участие почвенной биоты:
1) в процессах разложения растительных остатков и формировании
подстилки; 2) в образовании и разложении гумуса; 3) в разрушении
и новообразовании минералов.
РАЗЛОЖЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОСТАТКОВ И ФОРМИРОВАНИЕ ПОДСТИЛКИ
Разложение растительных остатков совершается как в толще поч-
вы, так и па ее поверхности. Отмирающий корневые системы однолет-
них и многолетних растений, а также подземные части — луковицы,
клубни, разлагаются в почве. Надземные части растений после отми-
рания в виде отпада и опада накапливаются на поверхности почвы.
Из них формируются под лесами лесная подстилка, под травянистыми
формациями ветошь и степной войлок. В качестве примера рассмот-
рим процесс образования лесной подстилки.
Превращение опада в подстилку осуществляется сложным ком-
плексом организмов, включая и представителей почвенной фауны. Ха-
рактер разложения и его скорость определяются тремя главными фак-
торами: составом растительного материала, водно-термическим режи-
мом и комплексом организмов-разлагателей. В процессе разложения
одна часть веществ полностью минерализуется,* другая — консерви-
руется и третья часть включается в гумус. При этом синтезируется
живая биомасса обитателей подстилки, живущих сапротрофно за счет
разлагаемого мертвого органического субстрата.
157
По мере разложения происходит изменение опада и превращение
его в аморфную массу. Это прослеживается на вертикальном профиле
в виде слоев разной степени разложенности опада: верхний слой —
L — опавшие листья; средний ферментативный — F и нижний гумусо-
вый — Н.' Такая стратификация подстилки — результат последова-
тельно сменяющих друг друга, «конвейерных», процессов, которые свя-
заны со сменой работающих комплексов, организмов. Это явление
носит название сукцессии.
Для L-слоя характерно общее обилие' и высокое экологическое
разнообразие организмов, активность которых носит .сезонный харак-
тер и выражается в цикличности процессов. В этом слое среди мик-
роорганизмов преобладают эпифиты, попадающие в подстилку с опа-
дом: высокая доля нсспоровых бактерий п дрожжеподобных г-рнбов,
в частности Aureobasidiuni pullulans. Из макромнцетов — шляпочные
грибы родов Marcistnius, Мусепа, Collybia. ЛАного- нематод, коллембол
и панцирных клешей — орибатид. В L-слос происходят процессы раз-
ложения простых углеводов, пектина и белков.
В F-слое отмечается самое активное дыхание за счет очень вы-
сокой общей численности микроорганизмов. Велико и их разнообра-
зие. Преобладающая группа — базидиальпые грибы, а также предста-
вители экологической группы разрушителей целлюлозы: Chaetomiiim,
Trichoderma, Му cogone. Им сопутствуют бактерии и члены сахаролн-
тического комплекса — дрожжи и мукоровые грибы. В этом слое
много представителей микрофауны — коллембол, клещей. Здесь идет
более глубокий распад органических веществ, включая целлюлозу,
хитин, лигнин. Одновременно протекают процессы синтеза гумусовых
веществ.
В Н-слое происходит снижение интенсивности дыхания в резуль-
тате. уменьшения численности и разнообразия комплекса грибов в пер-
вую очередь. Остаются главным образом гумусовые сапрофиты. Из
бактерий — споровые и много актиномицетов, которых почти нет в
слое L. Здесь завершаются процессы распада, происходит усложнение
гумусовых соединений. В гумусовом слое большую долю составляют
выбросы дождевых червей и других беспозвоночных; они активно за-
селяются актииомпцетами.
При переходе к минеральным горизонтам падает общая числен-
ность микроорганизмов и микроартропод, резко меняется состав эко-
логических и таксономических групп.
Сукцессионные изменения, таким образом, касаются всех групп
биоты — животных, грибов и бактерий — и отражаются на интенсив-
ности и направленности процессов разложения.. Особенно четко они
прослеживаются на грибных комплексах. В группе мелких членисто-
ногих (микроартропод) по мере сукцессии происходит замена домини-
рования поверхностных форм подстилочно-почвенными, а затем почвен-
ными. Наиболее заметна эта смена у нематод, менее — у ногохвосток
и меньше всего — у панцирных клещей (Чернова, 1977).
Скорость поступления опада, как правило, выше, чем скорость его
разложения. В разных условиях минерализация опада сильно разли-
158
чается. В субтропическом лесу, где круглый год положительные тем-
пературы и*высокая влажность, ежегодный опад почти целиком «сго-
рает» и почва почти голая, без подстилки. В хвойных лесах севера
с коротким периодом положительных температур опад разлагается
медленнее и накапливается в силу климатических условий и из-за
химического состава хвои. В целом процесс формирования подстилки
сравним с поверхностным компостированием конвейерного характера.
ОБРАЗОВАНИЕ И РАЗЛОЖЕНИЕ ГУМУСА
Накопление отмерших растительных остатков в виде особого слоя
подстилки или войлока на поверхности почвы создает особое храни-
лище элементов питания, которые по мере разложения постепенно по-
ступают в почву. Они либо используются растениями и микроорганиз-
мами. либо аккумулируются и стабилизируются в форме гумусовых
веществ, определяющих почвенное плодородие. Гумус составляет до
90% общего запаса ‘органических веществ в почвах и представлен
группой высокомолекулярных соединений разной химической природы,
главным образом высокополимсрных органических кислот. Азот в гу-
мусе входит в состав аминокислот белковой фракции и в гетероциклы,
которые не разрушаются при кислотном гидролизе.
Гумус сильно различается как по качеству, так и по количеству
в почвах разных типов вследствие того, что он -образуется из расти-
тельных остатков неодинакового химического состава и в различных
условиях, а в его формировании участвует комплекс организмов, спе-
цифичный для каждой природной зоны.
Образование и накопление гумуса в почве — это суммарный итог
многих биологических и абиогенных процессов. Исходный этап — раз-
ложение растительного-опада и корневых остатков.
В лесных ландшафтах процессы трансформации активно протека-
ют в верхних слоях, в подстилке, в травяных они опущены на глубину,
где сосредоточена основная масса корней. В связи с этим различна
Диля участия животных и микроорганизмов- в этих процессах.
Исследование процессов гумификации в связи с деятельностью
почвообитающих организмов составляет экологическое направление в
решении проблемы гумуса. Это направление берет начало с конца
прошлого века, когда датчанин Р. Е. Мюллер, работая с лесными поч-
вами, описал три типа гумуса — муль, модер и мор, которые образу-
ются как результат взаимодействия органических и минеральных сое-
динений, с одной стороны, и почвенных организмов и растительности—
с другой.
Нейтральный (мягкий, муллевый) гумус образуется под широко-
лиственным лесом. Он характерен для бурых лесных почв, где под-
стилка обычно не накапливается из-за активной се переработки бес-
позвоночными животными с участием дождевых червей, а также
высокой активности микроорганизмов. ААягкии гумус состоит из орга-
но-минеральных соединений и имеет слабокислую реакцию. Такой тип
гумуса образуется также под травянистыми формациями. Соотношение
С: N в этом гумусе обычно ниже 20.
159
Грубый гумус типа мор образуется в хвойных лесах, где процессы
разложения опада протекают медленно, где бедна почвенная фауна,
а в ее составе отсутствуют настоящие сапрофаги. Разложение подстил-
ки осуществляется в основном грибами. При недостатке оснований
образующиеся гумусовые кислоты ие нейтрализуются. Гумус поэтому
имеет кислую реакцию. Отношение C:N в грубом гумусе всегда вы-
ше 20.
Гумус тина модер —- промежуточный между мягким и грубым гу-
мусом. Он формируется под смешанными лесами. Оргаио-миперальиые
комплексы менее насыщены основаниями, чем в муле. Образование
гумуса типа модер протекает в условиях достаточно быстрой минера-
лизации растительных остатков, в переработке которых участвуют
почвенные беспозвоночные. Однако в этих почвах обычно отсутствуют
дождевые черви.
Роль животных в разложении органических веществ в связи с гу-
мусообразованием оценивается по-разному в зависимости от исполь-
зуемых методов. По дыханию (выделению СО2) беспозвоночные вме-
сте с простейшими составляют 15%, а 85% — микроорганизмы. Био-
масса почвенных животных в 100—120 раз меньше, чем растительных
остатков. Однако лабораторные и полевые опыты свидетельствуют о
сильном (в 6—8 раз) замедлении темпов разложения в отсутствие
животных.
Биохимическая концепция гумусообразования, в разработку ко-
торой большой вклад внесла М. М. Кононова, сводится к следующему.
Микробное разложение растительных остатков сопровождается
потерей массы (до 75%) и выделением СО2. Первоисточники струк-
турных единиц гумусовых веществ — углеводы растительных тканей,
переработанные микроорганизмами, лигнин, флавоноиды, таннины (по-
лифеполы), а также азотсодержащие продукты микробного ресиптеза.
В процессе формирования гумуса происходит конденсация структур-
ных единиц с участием микробных (главным образом, грибных) фер-
ментов полпфенолоксидаз. В конечных процессах имеет место гетеро-
поликоидепсация и стабилизация за счет изомеризации и перегруппи-
ровок (рис. G4).
Микроорганизмы участвуют в гумусообразовании не только кос-
венно, благодаря процессам разложения, но и непосредственно вклю-
чаясь в синтез гумусовых веществ.
На возможность участия темноокрашенпых продуктов метаболиз-
ма микроорганизмов в образовании гумуса указывали еще С. П. Кос-
тычев (1886) и С. Н. Виноградский (1952). Более 20 лет назад
Д. М. Новогрудский писал о том, что преобладающая часть гумуса
состоит из микробной плазмы.
Специфические вещества гумуса составляют 90% и представлены
гуминовыми кислотами (50—80%) и полисахаридами. Гуминовые кис-
лоты — гстеронолпкондеисаты с большим числом фенольных и индоль-
ных единиц (Кононова, 1963). Грибы могут образовывать циклические
продукты из соединений с открытой цепью, а также разлагать лигнин
до фенольных мономеров и дальше окислять их полифеиолоксидазами.
160
К фенольному ядру присоединяются азотсодержащие молекулы и об-
разуются темноокрашснные вещества — хромопротеиды меланоидного
типа. Меланины по химическому составу очень близки к гуминовым
кислотам: они не растворяются в органических растворителях, но из-
влекаются щелочами и осаждаются кислотами; обесцвечиваются окис-
лителями, например, перекисью водорода, марганцовокислым калием.
Рис. 6-4. Схема образбвания и разложения гумуса (по М. М. Кононовой,
1976, с изменениями)
Те и другие имеют одинаковые спектры поглощения в ультрафиоле-
товом и видимом свете; у них сходный элементный состав и некоторые
другие свойства. Меланины с такими характеристиками обнаружены
у многих почвенных микромицстов родов Aspergillus, Cladosporium,
Slachybptrys, Alternaria, Stemphylium, Aureobasidium и др. Пигменты
синтезируются внутриклеточно и остаются во внешней среде после
отмирания и лизиса мицелия, так как они устойчивы к микробной де-
градации.
Темные вещества меланинового характера образуют не только»
грибы, ио и прокариоты. Они найдены у актиномицетов и некоторых
бактерий, например у Azotobacter chroococctitn.
Таким образом, возможен вклад микроорганизмов в образование
гумуса не только через «производство структурных единиц» моно- и
полимеров в процессе разложения растительных остатков, но и бла-
годаря непосредственному синтезу гумусовых веществ типа черных
пигментов — меланинов. В гумус включаются помимо микробных ме-
ланинов другие компоненты биомассы. Опытами с 14С было показано,
6г/2 Биология почв
161
что меченый углерод из микробной биомассы, внесенной в почву, через
несколько месяцев обнаруживается в составе гумусовых кислот. Вста-
ет вопрос: какая доля гумуса почвы образуется из преобразованного
растительного материала и какая — из микробной биомассы и продук-
тов обмена микроорганизмов? Ответа на этот вопрос пока дать нельзя.
Он связан со многими проблемами почвенной биологии и биохимии и
прежде всего — с выяснением продуктивности почвенных микроорга-
низмов, энергетическим обеспечением продукционного процесса и ско-
ростью оборачиваемости микробной биомассы в почвах. В настоящее
время это спорные вопросы микробиологии почв.
Т. В. Аристовская пишет, что имеющиеся запасы гумуса в почвах
можно рассматривать как интегральный итог продолжавшегося в те-
чение длительного времени продукционного процесса микроорганизмов,
сопровождавшегося разложением их остатков и консервацией наибо-
лее устойчивых клеточных компонентов и продуктов микробного об-
мена (1980).
Хотя гумус и устойчив к микробному разложению, все же этот
процесс в почве постоянно протекает и часть гумуса минерализуется
в результате воздействия на него микроорганизмов. Способность раз-
лагать гумусовые вещества доказана для многих почвенных организ-
мов — грибов, бактерий, актиномицетов.
В биологии почв имеются два взгляда па этот вопрос: Г) сущест-
вует специфическая группировка микроорганизмов, разлагающих гу-
мус; 2) способность к разложению гумусовых веществ присуща мно-
гим неспециализированным почвенным микроорганизмам.
С. Н. Виноградский делил микрофлору почв па зимогенную, при-
вносимую с растительной массой, щ автохтонную — собственно почвен-
ную, живущую за счет разложения гумусовых веществ. Эту позицию
развивает далее Е. 3. Теппер, связывающая функцию разложения гу-
муса в почве с деятельностью главным образом покардий (1976).
Разные фракции гумуса неодинаково подвержены микробному раз-
ложению. Тот факт, что в почве обнаруживают гумус очень древнего
возраста, свидетельствует -о выпадении его из биологического круго-
ворота.
Наиболее активно разрушается гумус в присутствии доступных
микроорганизмам водорастворимых органических соединений. Возмож-
но, гумус вовлекается в процессы кометаболнзма и легче разлагается
в условиях соокисления. Эти процессы могут проводить и неспецифи-
ческие микроорганизмы. Многими экспериментальными работами по-
казано участие в разрушении почвенного гумуса грибов из родов Asper-
gillus, Penicilliiun и др. При этом одни виды использовали препараты
фульвокислот как источники углерода и азота, другие потребляли ли-
бо углерод, либо азот. В работах Т. В. Аристовской продемонстриро-
вано отложение железа в культурах Pedomicrobium, Seliberia и неко-
торых других микроорганизмов па средах с железогумусовыми комплек-
сами. Это свидетельствует о разрушении последних и использовании
гуминовой части как источника органических веществ в обмене гете-
ротрофных бактерий.
162
УЧАСТИЕ ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
В РАЗРУШЕНИИ И НОВООБРАЗОВАНИИ МИНЕРАЛОВ
Рассмотренные выше превращения калия, железа, алюминия, фос-
фора и серы, а также редких элементов связаны с процессами разру-
шения и новообразования минералов в почвах. Эти процессы, с одной
стороны, обеспечивают потребности растений и почвенных микроорга-
низмов в элементах минерального питания, а с другой — влияют на
такие свойства почвы, как ее поглотительная способность, структура,
влагоудсржанис. Таким образом, в совокупности процессы образова-
ния минералов п их деструкции формируют тот комплекс свойств, ко-
торый определяет почвенное плодородие.
Минеральные элементы аккумулированы в литосфере и в ходе
почвообразовательного процесса вовлекаются в биологический круго-
ворот и попадают в биосферу. Именно в этом звене два круговорота —
большой геологический и малый биологический — тесно сплетаются
между собой.
Процессы извлечения зольных веществ из почвообразующих пород
имеют значение не только на первых стадиях формирования почв,
когда это единственный источник элементов питания, но и в тех усло-
виях развитых почв, где имеет место активный вынос растворимых
веществ из почвенного профиля.
Микроорганизмам почвы принадлежит важнейшая, хотя и не ис-
ключи гсльпая, роль в деструкции минералов почвообразующих иород.
В этих процессах участвуют водоросли, лишайники, грибы, бактерии
и актипомицеты. Особое значение имеют микроорганпзмы-кислотооб-
разоватсли, например, иитрификаторы, тионовые бактерии, микроми-
цсты. Несомненно, велика роль лишайниковых кислот,. Под корочками
литофильных лишайников всегда можно обнаружить слой разрушен-
ной горной породы.
О биохимических механизмах деструкции минералов было сказано
в разделе о превращениях калия. В результате воздействия на мине-
ралы кислот, слизей и щелочей происходит либо полное растворение
минерала с образованием аморфных продуктов распада, либо ионы
калия, например, изоморфно замещаются ионами водорода и натрия
без разрушения кристаллических решеток минерала. Химические эле-
менты, входящие в состав минерала, извлекаются необязательно про-
порционально их содержанию и соотношению в исходном материале.
Биологическое выветривание может привести к преобразованию одно-
го минерала в другой благодаря изменению химического состава при
избирательном извлечении элементов. Например, при разложении алю-
мосиликатов с участием гетеротрофных бактерий происходит после-
довательное извлечение сначала щелочных элементов, затем щелочно-
земельных и в последнюю очередь — кремния и алюминия.
Устойчивость минералов к микробному разрушению определяется
не только прочностью структуры кристаллической решетки, но и усло-
виями среды, в которой протекает процесс, а также специфичностью
микрофлоры и, следовательно, биохимическим механизмом ее воздей-
6», Л ' 163
ствия на минерал. В природе наиболее интенсивная деструкция ми-
нералов протекает в подзолистых почвах и там, где идет процесс ла-
теритизации. В первом случае происходит накопление SiC>2, во втором —
полуторных окцелов R2O3. Т. В. Аристовская (1980) так описывает
процесс обогащения иллювиальных горизонтов подзолистых почв сво-
бодными полуторными окислами: «Образующиеся при разложении
опада агрессивные органические соединения, преимущественно органи-
ческие кислоты и полифенолы, фильтруясь через почвенную толщу,
вызывают распад минералов породы и, связываясь с R2O3, увлекают
их в нижележащие горизонты, оставляя за собой обогащенный крем-
неземом подзолистый горизонт. При минерализации закрепившихся в
иллювиальном горизонте железо- и алюмоорганических соединений
накапливаются свободные полуторные окпелы».
Микроорганизмы почвы участвуют не только в рассеивании эле-
ментов, содержащихся в минералах, но и в мипералообразовании.
Биогенное образование глинистых минералов — распространенный,
но очень слабо изученный процесс. Отправным пунктом в изучении
роли микроорганизмов в глинообразовапии могут служить данные по
превращению кремния, алюминия и железа, отчасти рассмотренные
выше.
О возможности биогенного образования минералов гидроокиси
алюминия (бокситов) с участием микроорганизмов свидетельствуют
материалы, полученные Т. В. Аристовской (1980) по разложению алю-
моорганических соединений с отложением алюминия на микробных
структурах. Другой возможный путь — использование SiO2 алюмоси-
ликатов низшими организмами с освобождением алюминия.
Микроорганизмы в почвах образуют не только глинозем, но и
участвуют в отложениях других минералов — сульфидных, карбонат-
ных, фосфатных, железистых, силикатных. Некоторые минералы воз-
никают как новообразования, другие — в результате преобразования
исходных. Минералогический состав почв формируется под влиянием
тех и других процессов.
Карбонатные минералы в почвах — продукты биогенного проис-
хождения. Кальциты образуются при осаждении кальция углекислотой,
выделяемой при дыхании, брожении и неполном окислительном раз-
ложении органических веществ самыми разнообразными почвенными
организмами. Осаждение кристаллов кальцита показано в культурах
анаэробных сульфатвосстанавливающих бактерий, аэробных дрожжей
и псевдомонад.
Кремний в почвах составляет около 35% массы всех химических
элементов, а содержащие его минералы — 97% всей массы земной
коры. В почве кремний находится в виде кремнезема, кислородного
соединения S1O2. Он активно поглощается растениями, диатомовыми
водорослями, микроорганизмами при разрушении ими минералов. Ос-
новная масса биогенного кремнезема поступает в почву с раститель-
ными остатками в виде поликремниевых кислот. Далее, в зависимости
от условий, кремнезем либо выносится в нижние горизонты почв в
виде фитолитов, либо подвергается растворению, либо кристаллизу- -
164
стен и превращается во вторичный кварц. Фитолиты растворяются в
щелочной среде, создаваемой некоторыми микроорганизмами, напри-
мер уробактериями. Возможность миграции биогенного кремнезема в
кислых растворах не доказана. Кристаллизация фитолитов и преоб-
разование их во вторичный кварц происходит в почвах районов с су-
хим климатом. Роль микроорганизмов в процессах преобразования
аморфного кремнезема во вторичный кварц сводится к освобождению
фитолитов от органических веществ. Дальнейшая кристаллизация —
процесс химический, а не биологический. Источником вторичного квар-
ца может быть и растворенный кремнезем, переходящий в нераство-
римую форму под влиянием щелочных продуктов микробов.
Процессы мипералообразования при разложении сульфидов де-
тально исследованы на примере тионовых бактерий Thiobacillus fer-
rooxidans. В кислой среде они окисляют первичные сульфиды, из ко-
торых образуются новые вторичные минералы, например, из сульфида
свинца — галенита образуется англезит. Основной сурьмяный мине-
рал антимонит под действием Th. ferrooxidans превращается в сенар-
монтит, который далее в кислой среде может окисляться в Sb2Os с уча-
стием Stibiobacter senarmonlii, либо в нейтральных условиях превра-
щается в 5Ь20з Th. thioparus subsp. antimoniiicum.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ
И ИНДИКАТОРНЫХ СВОЙСТВ ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
ВЫЯВЛЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ,
УЧАСТВУЮЩИХ В КРУГОВОРОТЕ УГЛЕРОДА
Разложение крахмала. Для выделения микроорганизмов, гидро-
лизующих крахмал, производят посев из почвенной суспензии на агар
с 1% растворимого или оклсйстеризоваиного крахмала в чашках Пет-
ри. Вокруг колоний микроорганизмов, способных гидролизовать крах-
мал, образуются прозрачные ореолы.
Положив комочки почвы на агар, можно обнаружить микроорга-
низмы, разлагающие крахмал в почве.
Если чашки залить раствором йода, то среда окрасится в синий
цвет. Зоны вокруг колоний окрасятся либо в красно-бурый цвет — гид-
ролиз дошел до стадии декстринов, либо они останутся бесцветными —
гидролиз прошел до стадии образования сахара. Наилучшие резуль-
таты в опытах по разложению крахмала получаются при работе с
р а створ и м ы м кр ах м ал о м.
Разложение пектина. Пектинразлагающие микроорганизмы обла-
дают ферментами-пектиназами, действие которых па растительную
ткань проявляется в размягчении и распаде на отдельные клетки —
мацерации растительной ткани. Отбор культур микроорганизмов, об-
ладающих пектиназами, проводят по их мацерирующей способности.
Культуры микроорганизмов выращивают в картофельном отваре
(200 г тертого картофеля в 1 л воды кипятят 15 мин, затем фильтруют
через марлю и стерилизуют) в течение 10 дней при 24°. Затем куль-
6 Биология почв
165
туральную жидкость в объеме 20—25 мл выливают в чашки Петри,
в них опускают тонкие срезы картофеля. Мацерацию картофеля оп-
ределяют после 6-часового выдерживания в термостате при 40° с по-
мощью тонкой иглы. При наличии мацерации клетки отделяются друг
от друга, и срез картофеля размягчается. Мацерация свидетельствует
о присутствии в культуральной жидкости пектолитических ферментов,,
в частности протопектиназы.
Присутствие пектолитических ферментов в культурах микроорга-
низмов можно выявить и по наличию зон осветления и разложения
пектина в местах инокуляции микроорганизмов на плотных средах,
покрытых слоем 2°/о-ного растворимого пектина. В качестве плотной
питательной среды может быть использован почвенный агар.
Обнаружение пектинэстеразы проводят в помощью посева па спе-
циальную среду следующего состава: картофельный бульон — 1000 мл,
пектин — 7 г; дрожжевой автолизат — 5 мл; тиогликолевая кисло-
та — 1 мл; 0,5%-пый бромтимоловый синий — 1 мл. Среду стерили-
зуют при 0,5 атм 30 мин. После стерилизации pH среды доводят до-
7,2—7,5 стерильной 10%-ной NaOH. Инкубацию посевов производят
при 37°. На 1, 2, 3 и 4-е сутки роста определяют изменение значения
pH по исчезновению окраски индикатора.
Наличие нолнгалактуроназы в культурах микроорганизмов выяв-
ляют, высевая культуры на среду следующего состава: картофельный
бульон — 1000 мл; пектин — 13 г; дрожжевой автолизат — 5 мл; тио-
гликолевая кислота — 0,5 мл; 0,004%-ный нейтральный красный —-
1 мл. Последующие операции аналогичны определению пектинэстеразы.
Разложение целлюлозы. Для выделения из почвы, подстилки, тор-
фов и других природных субстратов целлюлозоразлагающих микро-
организмов существует ряд методов.
Аэробное разложение целлюлозы. Аэробные целлюлозоразлагаю-
щие микроорганизмы наиболее полно выявляются с помощью метода
почвенных пластинок. Почву обогащают соединениями калия и азота
(2 мл 1,5%-ного раствора КХО3 на 50—60 г почвы). Обогащенную на-
веску размешивают, увлажняют и помещают в чашку Петри, на дно
которой предварительно кладут стерильные обеззоленные фильтры или
фильтровальную бумагу. На поверхность почвенной пластинки также
накладывают кружок фильтровальной бумаги и плотно прижимают
его к поверхности пластинки. Чашки с пластинками инкубируют во
влажной камере. Срок инкубации варьирует в зависимости от свойств-
почвы. Для дерново-подзолистой почвы этот срок можно ограничить
несколькими неделями, для чернозема срок инкубации может быть
увеличен. Результаты опыта определяют по степени и характеру раз-
ложения бумаги. В дерново-подзолистой почве целлюлозоразлагающие
микроорганизмы представлены обычно грибами, в черноземе — мик-
собактериями.
Используется также метод накопительных культур. В этом случае
применяют среду Гетчинсона (г/л): КН2РО4—- 1,0, NaCl — 0,1, СаС12—
0,1, FcCb — 0,1, MgSO4-7H2O—-0,3, NaNO3— 2,5, дистиллированная
вода. Среду наливают в колбочки или пробирки, куда в качестве ис-
166
точника углерода помещают фильтровальную бумагу (рис. 65). После
стерилизации засевают комочками почвы.
Условия накопительной культуры для целлюлозоразлагающих
микроорганизмов можно создать, используя метод комочков. На по-
верхность пластинок кремнекислого геля или голодного агара накла-
дывают кружки фильтровальной бумаги, смоченные раствором Гетчин-
сона. Затем па поверхность бумаги раскладывают 25 комочков почвы.
Чашки инкубируют в термостате при 25—30° во влажной камере и
наблюдают за развитием микроорганизмов.
Через несколько педель подсчитывают про-
цент комочков, вокруг которых наблюдается
разложение клетчатки, и составляют характе-
ристику развивающихся микроорганизмов на
основе их микроскопического исследования.
Последний метод может быть использован
для количественного определения целлюлозо-
разлагающих микроорганизмов в почве.
Анаэробное разложение целлюлозы. Для
накопительной культуры анаэробных целлюло-
зоразлагающпх микроорганизмов А. А. Имше-
нецкпй предложил следующие питательные
среды. Для накопительной культуры (г/л):
NaNH4HPO4-4H2O — 1,5, КН2РО4 — 0,5,
К2НРО4 — 0,5, MgSO4 — 0,4, NaCI — 0,1,
MnSO4 и FeSO4 — 1 капля 1%-ного раствора,
пептон 5,0, СаСО3 — 2,0, фильтровальная бу-
мага — 15,0, рП — 7,0 — 7,4.
Для накопительных и чистых культур: мя-
со-пептонный бульон — 500 мл, СаСО3 — 2 г,
фильтровальная бумага — 15 г, водопроводная
вода — 0,5 л.
Рис. 65. Методы обнаруже-
ния целлюлозоразлагающих
микроорганизмов
Жидкие питательные среды разливают высоким слоем в высокие
пробирки. Фильтровальную бумагу нарезают полосками и опускают
на дно пробирки; засевают комочками почвы или навоза и инкубируют
в термостате при температуре 30—35° в случае обнаружения мезо-
фильных бактерий и при 60° — при поиске термофильных бактерий.
Количественный учет анаэробных целлюлозоразлагающих бакте-
рий проводят методом предельных разведений. Посев производят в не-
сколько параллельных пробирок (не менее 5), которые инкубируют в
термостате, просматривают, материалы учета обрабатывают по таб-
лице Мак-Креди. Полученные данные могут, однако, рассматриваться
лишь как приблизительные, потому что бактерии трудно смываются
с волокон клетчатки, на которых происходит их развитие, и не рас-
пределяются равномерно в воде при приготовлении разведений.
При приготовлении препаратов для микроскопирования кусочки
разложившейся клетчатки помещают на предметное стекло в каплк>
воды, разрывают волокна препаровальными иглами, распределяют на
стекле, фиксируют и окрашивают.
6*
167
Образование и окисление метана. Минеральный состав среды для
выявления метанобразующих бактерий в почве следующий: NII4CI —
0,75, КН2РО4—1,0, К2НРО4 — 2,0, MgCl2-6H2O —0,02, СоС12-6Н2О —
0,01, NaHCO3 —2,0, СаСОз — 2,0, выщелоченный агар — 12, вода водо-
проводная — 100 мл, вода дистиллированная — 900 мл.
Сульфаты в среду не вводят, чтобы препятствовать развитию суль-
фатредуцирующих бактерии. Перед посевом в среду добавляют 1 —
2 мл/л дрожжевого экстракта и 20 мл/л стерилизованной культураль-
ной жидкости, полученной при развитии накопительной культуры
метапосарцины. Для снижения окислительно-восстановительного по-
тенциала среду кипятят, продувают углекислотой и вносят 4 мл/л
3%-ного раствора Na2S-9H2O в 0,5-ном растворе Na2CO3, что соответ-
ствует 17 мг/л H2S; pH 7; гН2 около 12. Перед посевом в расплавлен-
ную среду вносят источники энергии — кальциевые соли муравьиной,
уксусной, молочной кислот или спирты (этанол, метанол) в количе-
стве 1 Со-
существует метод выделения метанобразующих бактерий, в кото-
ром в качестве источника энергии используют молекулярный водород.
Для засева берут разведения почвенной суспензии в стерильной воде, со-
держащей 10—20- мг/л H2S. Посевной материал (1 мл) вносят в сте-
рильную пробирку, затем заливают приготовленную среду так, чтобы
не оставалось пузырьков воздуха. Время инкубации при 28—30° со-
ставляет от 10 дней до нескольких месяцев. О развитии метаиообра-
зующих бактерий судят по выделению пузырьков газа. Однако газо-
образование не может служить единственным критерием развития
метаногенных бактерий. Для подтверждения присутствия бактерий,
образующих метан, необходим газовый анализ. Количественный учет
метанобразующих бактерий может быть проведен с помощью метода
предельных разведений.
Для получения накопительных культур мета и о к и с л я го щ и х
бактерий инокулируют жидкие и агаризованные среды почвенными
суспензиями и помещают их в метано-воздушную среду при соответ-
ствующей температуре (30, 37, 45, 55, 60° С). Если необходимо выя-
вить весь видовой состав метанокисляющих бактерий, содержащихся
в исследуемом образце, то на первом этапе накопительную культуру
следует получать на твердой среде. Последующие этапы выделения
накопительной культуры необходимо проводить па жидкой среде сле-
дующего состава (г/л): I\NO3 — 1, КН9РО4 — 0,4, К2НРО4 — 0,4, NaCl —
0,3, MgSO4-7H2O — 0,3, СаС12 — 0,02, FeCl3— 0,001. Для приготовле-
ния сред используют водопроводную кипяченую фильтровальную и
дистиллированную воду 1 : 1. Фосфорные соли растворяют в дистил-
лированной воде. Для приготовления твердых срец пользуются очи-
щенным агаром «Дифко» или силикагелем. Посуду очищают от орга-
нических примесей. В качестве источника углерода в среге используют
метай. Опыты проводят в колбе, снабженной двумя стеклянными труб-
ками с кранами и резиновой пробкой. В одну из трубок под давлением
вводят метан, второй кран в это время открыт для выхода воздуха.
Закрывают оба крапа, колбу оставляют на 3—4 дня при 30—37°. На
168
поверхности жидкости появляется красноватая пленка метановых оак-
терий,
Для выращивания метанокисляющих бактерий на твердых средах
используют хроматографические сосуды, которые герметизируют при
помощи металлической крышки, оборудованной двумя штуцерами,
через них вводится и выводится газовая смесь. В сосуды помещают
чашки с агаризовашюй средой указанного состава, инокулироватшые
почвенной суспензией, и заполняют газовой смесью метан: воздух
(1:1 или 1:4). Смену газовой фазы в сосуде осуществляют каждые
двое суток. Сосуды помещают в термостат. Спустя 5—10 сут на ага-
ре появляются визуально различимые колонии метанокисляющих бак-
терий.
Колонии метанокисляющих бактерий получают также при исполь-
зовании мембранных фильтров. Для этого на агаризованпую среду
накладывают фильтры, через которые была предварительно отфильтро-
вана исследуемая проба.
СИНТЕЗ И РАЗЛОЖЕНИЕ ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ
Для выявления грибов, принимающих участие в синтезе гумусовых
веществ в почве за счет образования темноокрашенпых продуктов —
меланинов, используют метод мембранных фильтров (см. с. 85). На
мембранных фильтрах просчитывают общую длину темноокрашенпых
грибных гиф и рассчитывают биомассу мицелия (см. с. 85).
Для выявления микроорганизмов, участвующих в разложении гу-
мусовых веществ почвы, можно использовать метод Теппер. Из сред-
ней пробы отбирают навеску почвы в 25 г, которую насыщают слабым
раствором Na-гумата (или другой фракцией гумусовых веществ). Поч-
ву помещают в виде комочков па пластинки кремнекислого геля, про-
питанные минеральной средой Виноградского без источника углерода
и азота. Чашки инкубируют во влажной камере при температуре 25—
28° 50—60 сут и более. Специфические микроорганизмы, разлагающие-
гуматы, образуют бурые или бархатистые налеты на поверхности ко-
мочков и в геле.
ОБНАРУЖЕНИЕ И УЧЕТ МИКРООРГАНИЗМОВ,
УЧАСТВУЮЩИХ В КРУГОВОРОТЕ АЗОТА
Аммонификаторы. Для выявления аммонифицирующих бактерий в
почве пользуются методом посева из почвенных суспензий па среду
МПА. Накопительную культуру аммонификаторов можно получить, за-
севая комочками почвы пептонную воду или мясо-пептонный бульон в
пробирках или колбочках. Пробирки закрывают ватными пробками и
под них подвешивают влажную красную лакмусовую бумажку для об-
наружения аммиака. Об образовании сероводорода судят по реакции
с уксуснокислым свинцом, раствором которого пропитывают полоски
фильтровальной бумаги и помещают их под пробки. Сверху пробки
169
надевают резиновый колпачок для затруднения выхода газообразны v
продуктов. После 2—3 дней инкубации при 25—30° лакмусовая бумаж-
ка синеет от выделяющегося аммиака, а бумажка с уксуснокислым
свинцом темнеет. Просматривая под микроскопом препараты, приго-
товленные из накопительной культуры, можно наблюдать клетки спо-
ровых бацилл, длинные палочки Proteus vulgaris.
Денитрификаторы. Для обнаружения денитрифицирующих орга-
низмов в почве используют метод накопительной культуры. Опыт про-
водят на среде Гпльтая.
Готовят два раствора: 1) I\NO3— 2,0, аспарагин—1,0 г, дистил-
лированная вода — 250 мл; 2) натрий лимоннокислый — 2,5 г,
1\П2РО4—-2 г, СаСЬ— 0,2 г/MgSO4-7H2O— 2 г, FcCh— следы, дис-
тиллированная вода — 500 мл. Оба раствора сливают и доводят объем
среды до 1000 мл. Устанавливают pH 7 по индикатору бромтимолово-
му синему, который добавляют в среду. Цвет среды должен быть
зеленый. Среду наливают высоким слоем в пробирки, стерилизуют,
затем засевают комочками почвы. Инкубация продолжается 5—7 дней
в термостате при 25—30°. Об идущем процессе восстановления нитра-
тов и образовании азота свидетельствуют посинение среды, появление
пузырьков газа и пены на поверхности среды. Среда в пробирках
мутнеет от развивающихся в пей бактерий. Микроскопированием де-
нитрифицирующие бактерии идентифицировать не удастся вследствие
их внешнего сходства с другими бактериями. Поэтому обычно огра-
ничиваются обнаружением депитрифпкаторов по изменениям, обнару-
живаемым в среде Гпльтая.
Нитрификаторы. Для обнаружения нитрификаторов в почве поль-
зуются обычно накопительными культурами па элективной среде Ви-
ноградского следующего состава (г/л дистиллированной воды):
(NH.;)2SO.t — 22,0,' К2НРО4 — 1,0, MgSO4 - 0,5, NaCI — 2,0, FeSO4
0,4, СаСОз — 0,1. Среду разливают тонким слое?л в колбы Виноград-
ского, так как процесс осуществляется в аэробных условиях. После
стерилизации колбы, засеянные комочками почвы, инкубируют в те-
чение 5—6 дней в термостате при 25—30°. В накопительной культуре
клетки нитритных и нитратных бактерий обнаружить с помощью мик-
роскопирования трудно, так как они морфологически сходны с други-
ми бактериями. Поэтому о присутствии в исследуемой почве нитри-
фицирующих бактерий обычно судят по химическим реакциям, свиде-
тельствующим о присутствии в культуре продуктов жизнедеятельности
нитрифицирующих бактерий — азотной и азотистой кислот. Присут-
ствие азотной кислоты в культуре определяют с помощью реакции с
дифениламином в крепкой серной кислоте: кристаллик дифениламина
помещают в фарфоровую чашечку и растворяют в крепкой серной кис-
лоте; па край чашечки помещают каплю жидкости из накопительной
культуры и дают ей стечь. О наличии в культуре азотной кислоты сви-
детельствует синее окрашивание. Присутствие в культуре нитритов об-
наруживают по красному окрашиванию с реактивом Грисса (уксусно-
кислый раствор смеси сульфаниловой кислоты с а-иафтпламином).
Для обнаружения нитрифицирующих бактерий могут быть исполь-
170
зованы и плотные питательные среды — пластинки кремнекислого геля.
Готовят их следующим образом. К соляной кислоте с удельным
весом 1,1 приливают при помешивании равный объем жидкого калий-
ного пли натриевого стекла с удельным весом 1,05—1,06 и слегка по-
догревают. Начинающий коагулировать золь быстро разливают по чаш-
кам Петри и дают ему застыть. Затем чашки помещают в сосуд, до
дна которого проходит каучуковая трубка, соединенная с водопрово-
дом. Кремневые пластинки промывают водопроводной водой до тех пор,
пока гель не перестает давать реакцию на С1_ (проба с AgNO3). Тог-
да чашки вынимают, промывают 2—3 раза дистиллированной водой
и пропитывают растворами: 1) К2НРО4 — 0,5 г, MgSO4-7H2O— 0,3 г,
NaCl— 0,3 г, FcSO4 — 0,02 г, MgCO3 — 0,02 г, дистиллированная во-
да— 0,2 л; 2) (NH4)2SO4— 10 г, дистиллированная вода — 0,2 л. Бе-
рут 2 мл первого раствора и 1 мл второго, подсушивают. Стерилизуют
чашки при 112° 15 мин. После этого па поверхность чашек в минималь-
ном количестве воды вносят хорошо растертую взвесь простерилизо-
ванного в течение 1 ч при 150° 0,5 г мела и равномерно распределяют
по поверхности пластинки. Затем чашки подсушивают примерно около
1 ч при температуре 35°. Поверхность пластинки должна иметь вид
белой эмали.
На поверхность гелевой пластинки помещают при помощи трафа-
рета комочки почвы (50—100 штук). Для этого почву увлажняют,
равномерно растирают и наносят комочки на пластинку иглой или
петлей. О развитии нитрифицирующих бактерий судят по зонам рас-
творения мела п появлению нитритов и нитратов вокруг комочков.
Количественный учет аммонификаторов, денитрификаторов и нит-
рификаторов в почве проводят обычно с помощью метода предельных
разведений. Почвенную суспензию для посева готовят так же, как и
при использовании чашечного метода. Посев производят в пробирки,
содержащие определенное количество жидкой питательной среды. Для
определения аммонификаторов и денитрификаторов посев обычно де-
лают из десятикратных разведений (до 12 и более). Для определения
тарификаторов ограничиваются 2—4-мя первыми разведениями. Из
каждого разведения почвенной суспензии обычно засевают 2—5 парал-
лельных пробирок с соответствующей питательной средой. Пинетки во
время постановки подобных опытов следует оберегать ют заражения
микроорганизмами из воздуха. Для каждого разведения рекомендуется
брать новую стерильную пипетку. Расчет количества микроорганизмов
проводят с помощью таблиц Мак-Креди.
Аз от фиксаторы,. Для обнаружения азотобактера методом почвен-
ных комочков навеску почвы (60—100 мг) увлажняют водопро-
водной водой до пастообразного состояния и микробиологической пет-
лей или иглой раскладывают комочки правильными рядами (50 ко-
мочков на каждую чашку Петри) на агар Эшби следующего состава
(г/л): К2НРО4 —0,2, MgSO4-7H2O —0,2, NaCl — 0,2, КН2РО4 —0,1,
СаСО3 — 5,0, маннит (пли сахароза) —20,0, агар-агар—20,0, вода
дистиллированная. Используют две чашки Петри на каждый образец
почвы. Чашки помещают в термостат во влажной камере. Через 4—
171
б сут опыт учитывают, считая количество комочков почвы, обросших
слизистыми колониями азотобактера, и вычисляя % обрастания.
Для обнаружения в почве азотобактера исп-олъзуется также м е-
тод почвенных пластинок. Навеску почвы (40—50 г), обога-
щенную необходимыми для развития азотобактера веществами (саха-
розы 0,5%, 1\2НРО4— 0,1%, мела 1% от массы почвы), помещают в
фарфоровую чашечку, увлажняют до пастообразного состояния, тща-
тельно перемешивают и переносят в чашку Петри пли Коха. Почву
равномерным слоем распределяют по дну чашки, предварительно для
лучшей аэрации поместив на дно древесный уголь или битое стекло
в качестве дренажа. В чашку наклонно вставляют стеклянную трубоч-
ку, проходящую через почвенную пластинку и обеспечивающую газо-
обмен. Пластинки инкубируют во влажной камере в течение 4—6 дней.
Появление слизистых колоний на поверхности почвенной пластинки
свидетельствует о наличии в исследуемой почве азотобактера.
Для обнаружения в почве анаэробных азот фиксирующих бактерий
рода Clostridium пользуются методом накопительной культ у-
р ы в жидкой среде Виноградского следующего состава (г/л дистил-
лированной воды): глюкоза — 20, 1\2НРО4— 0,1, A4nSO4, NaCl, FeSO4—
следы, MgSO4-7H2O — 0,5, СаСО3 — 20,0. Среду наливают в пробирки
высоким слоем, засевают комочками исследуемой почвы и пастеризу-
ют 10 мин при 80 в целях освобождения от сопутствующих аэробных
нсспороносиых бактерий.
Через 2—3 сут после посева среда мутнеет, из нее начинают вы-
деляться пузырьки газа. Это результат развития анаэробных споровых
бактерий, которые в соответствующих элективных условиях проводят
маслянокислое брожение. Глюкоза при этом превращается в масляную
кислоту и углекислый газ, а в пробирках образуется много пены, по-
является запах масляной п уксусной кислот. Последняя также явля-
ется одним из продуктов маслянокислого брожения. Обычно таким
методом наблюдают Clostridium pcisteurianum. Клетки Clostridium pas-
teurianum легко обнаруживаются при микроскопировании осадка. Так
называемая гранулезная реакция способствует выявлению клеток в
осадке. Перед спорообразованием в клетках Clostridium pcisteurianum
накапливается много гранулезы, для которой характерно окрашива-
ние раствором Люголя. Каплю жидкости, содержащую клетки клостри-
диев, накрывают покровным стеклом и к одному краю стекла подно-
сят пипетку с раствором Люголя, а к другому — фильтровальную бу-
магу, которая засасывает раствор под покровное стекло. При микро-
скопировании препарата видны, клетки клостридиев с потемневшим
содержанием. Спора в клетке остается при этом неокрашенной и хо-
рошо различима на темном фоне.
Обнаружить клубеньковые бактерии в почве довольно
трудно вследствие отсутствия элективных сред. Выявляют их в почве
при помощи растений. Опыт ставят следующим образом. В небольшие
колбочки Эрленмейера разливают невысоким (4 см высоты) слоем пи-
тательную среду следующего состава (г/л): К2НРО4 — 1,0, A4gSO4-
•7Н2О— 1,0, СаСОз — 0,5, FeSO4, Н3ВО3, MnSO4 — следы, агар-агар —
172
0,1. Колбы стерилизуют при 120° 20 мин. После застывания агара на
поверхность среды раскладывают предварительно простерилизованиые
семена клевера. Стерилизацию семян проводят следующим образом:
семена для лучшей смачиваемости обрабатывают спиртом, затем про-
мывают стерильной водопроводной водой, стерилизуют 0,1%-пым рас-
твором сулемы (или 1%-ной бромной водой) в течение 3—5 мин, после
чего хорошо промывают стерильной водопроводной водой, несколько
раз сменяя ее. При проведении всех операций необходимо соблюдать
стерильность. Проверку стерильности семян проводят, помещая семе-
на на МПА или бобовый агар. Отсутствие роста микроорганизмов на
этих средах свидетельствует о стерильности семян.
Вместе с семенами в колбочки добавляют 1 мл почвенной суспен-
зии (разведение 1:10). Контролем служит колба, куда добавляют
1 мл суспензии почвы, взятой из-под клевера. Сосуды обертывают
снаружи плотной бумагой так, чтобы она закрывала агар и семена,
предохраняя бактерии от действия света. Растения выращивают в
вегетационном домике или в лаборатории при естественном или искус-
ственном освещении. По мере развития растений проводят наблюде-
ния за образованием клубеньков, принимая за 100% количество рас-
тений, образующих клубеньки в контрольной колбе.
Для выделения культур к л у б е н ь к о в ы х б а к т е р и й корни
бобовых растений с клубеньками тщательно отмывают от почвенных
частиц, клубенек отрезают, промывают в стерильной воде, трижды сме-
няя ее, помещают в раствор сулемы (1:1000) в чашке Петри и вы-'
держивают 2—3 мин. Затем переносят клубенек в чашку Петри со сте-
рильной водопроводной водой, промывают в течение 5 мин, выдержи-
вают в спирте 1 мин и последовательно промывают в 3-х чашках со-
стерильной водой, выдерживая но 10 мин в каждой. После промыва-
ния клубенек переносят в стерильную чашку в каплю стерильной во-
ды и раздавливают стерильной стеклянной палочкой. Одну петлю-
взвеси переносят из капли на поверхность бобового агара в чашках
Петри и размазывают шпателем. Этим же шпателем делают посев еще
на двух последовательных чашках. Спустя 1—2 сут инкубации в тер-
мостате при 28—30° на чашках вырастают слизистые беловатые не-
прозрачные колонии, иногда похожие на капли стеарина. Бобовый агар
готовят из бобового отвара. 50 г бобов (белой фасоли или гороха)
заливают 1 л волы, варят до набухания и растрескивания кожуры (но
по до разваривания), фильтруют через вату, доводят водопроводной
водой до 1 л, добавляют 1% сахара, 0,05 мг 0,1%-ного раствора К2НРО4
и устанавливают pH 7 раствором соды. Для получения плотной среды
добавляют 1,5—2% агара. Стерилизуют при 120° 20 мин.
ОБНАРУЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ,
УЧАСТВУЮЩИХ В ПРЕВРАЩЕНИЯХ ФОСФОРА, СЕРЫ, ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА
Для получения культур бактерий, минерализующих фосфороргани-
ческие соединения, используют среды, где единственным источником
фосфора служат нуклеиновые кислоты или лецитин, например среда
173
Меикипой (г/л): (NH4)2SO4— 0,5, NaCl — 0,3, I\C1—0,3, MgSO4X
X7H2O— 0,3, FcSO4— следы, MnSO4— следы, мел — 5,0, глюкоза —
10,0. Этой средой можно пропитывать гелевые пластинки или исполь-
зовать ее с агаром. Лецитин или нуклеиновые кислоты вносят из рас-
чета 5 мг Р2О5 на чашку Петри.
Бактерии, минерализующие фосфорорганические соединения, рас-
познают на чашках Петри, засеянных почвенной суспензией, по зонам
растворения мела образующейся фосфорной кислотой (рис. 66).
Для выделения микро-
организмов, растворяющих
труднорастворимые фосфаты
кальция, используют среду
Пиковскоп (г/л): Са3(РО4)2—
5,0, глюкоза — 20,0, NaCl —
0,2, MgSO4 — 0,1, MnSO4 —
следы, FeSO4 — следы,
агар-агар -— 20,0. Соль
Са3(РО4)2 можно вносить
непосредственно в чашку Пет-
ри перед выливанием в нее
расплавленной агаризованпой
среды. Бактерии, разлагаю-
щие трехкальцпевый фосфат,
распознают по зонам раство-
рения фосфата вокруг них.
Наблюдать бактерии,
окисляющие серу, можно с
помощью следующей мето-
дики. Стерильпхю застывшую
агарнзованную среду (г/л):
K2S — 3,0, ' К2НРО4 — 0,2,
Рис. 66. Зоны растворения мела вокруг
колоний микроорганизмов, разлагающих
фосфорорганические соединения
NH.1C1 — 0,1, MgCl2 — 0,1, агар-агар — 30,0 — нарезают ломтиками и,
поместив в цилиндр, заливают водой и засевают почвой. Для выявления
бесцветных аэробных серобактерий культуру ведут при доступе кисло-
рода, для выявления фотосинтезирующих серобактерий культуру ведут
в анаэробных условиях при освещении.
Накопительную культуру фотосинтезирующих серобактерии можно
получить, используя среду ван Ниля (г/л дистиллированной воды):
NFI4C1 —1.0, К2НРО4 —5,0, MgCl2 —0,2, NaHCO3 —5,0, Na2S-9H2O —
1,0, pH — 8,5. Среду разливают высоким слоем в пробирки и заражают
почвой. Инкубацию производят при искусственном или естественном
освещении. Для выделения и культивирования тионовых бактерий
пользуются следующими средами (г/л дистиллированной воды):
1) (NH4)2SO4 — 0,2, MgSO4-7H2O —0,1, FpSO4 — 0,01, СаС12-
0,25, I\II2PO4 — 3,0, порошкообразная сера — 10 г (серу стерилизуют
отдельно и добавляют в среду перед посевом);
2) Na2S,O3-5H2O —5,0, '(NH4)2SO4 —0,4, К9НРО4 — 4,0, СаС12—
0,25, MgSO4-7H2O — 0,5, FeSO4 — 0,01, pH — 7.
174
Инкубё!тио проводят в термостате в течение 1—2 недель. О раз-
витии тионовых бактерий судят по растворению серы, образованию
пленки пли помутнению среды, падению pH раствора и присутствию
в нем сульфатов. Сульфаты обнаруживают при помощи 5%-ного рас-
твора ВаС12 в 2 н. НС1 (выпадение белого осадка).
Для получения накопительной культуры сульфатредуцирующпх
бактерий применяют среды Таусона пли Постгейта, имеющие следую-
щий состав.
Среда Таусона (г/л): (NH4)2SO4 — 4,0, К2НРО4 — 0,5, MgSO4X
Х7Н2О — 1,0, соль Мора — 0,5, лактат кальция — 5,0. Иногда к среде
добавляют дрожжевую воду (1 мл/100 мл среды).
Среда Постгейта (г/л): КН2РО4 — 0,5, NH4C1— 1,0, CaSO4-2H2O —
1,0, MgSO4-7H2O — 2,0, лактат натрия — 3,5, дрожжевой экстракт —
1,0, FeSO4-7H2O — 0,5, тиогликолят натрия—1,0, или аскорбиновая
кислота — 1,0.
Восстановители — тиогликолят, аскорбиновую кислоту добавляют
для удаления кислорода из среды. Восстановители готовят в отдель-
ных емкостях: растворяют в освобожденной кипячением от кислорода
дистиллированной воде и стерилизуют в ампулах, продутых инертным
Рис. 67. Методы выделения сульфатвосстапавлнвающих бактерий по Л. Д. Штурм
(вверху) и В. И. Дуде
1—агар, 2 — почвенная или минеральная пластинка, 3 — парафин
газом перед запайкой. Значение pH сред не должно быть ниже 5,5 и
выше 9,0. Оптимальное значение pH 7,0—7,5.
После засева сред почвой (лучше брать болотную почву) пробир-
ки со средами закрывают резиновыми или притертыми пробками, пе
оставляя воздуха (среду наливают под самую пробку). Сверху пробку
заливают парафином. Культуры инкубируют в термостате в течение
3-х нед. Развитие сульфатредуцирующих бактерий регистрируют по
почернению осадка в пробирках, происходящему вследствие образова-
ния сернистого железа.
Для выделения и учета сульфатвосстапавлнвающих бактерий при-
меняют метод Штурм. Агаризованпую среду Таусона наливают в
крышку чашки Потри, а затем, после поверхностного посева почвенной
суспензии иа поверхность среды, к последней плотно прижимают дно
чашки; зазор между стенками дна и крышки заливают стерильным
парафином (рис. 67). Вместо дна чашки можно использовать круглые
стеклянные пластинки. Существует модификация метода, предложен-
ная В. И. Дудой. Агаризованные среды заменяют пластинками стерпль-
175
ной почвы или смесью тонкодисперспых минералов: каолинита, бенто-
нита, гипса и силикагеля.
На почвенные пластинки наносят каплю почвенной суспензии и
распределяют ее ровно по поверхности пластинки с помощью стеклян-
ного шпателя. На пластинку помещают кружок стекла (или дно чаш-
ки Петри), который плотно прижимают к почве (либо минеральной
пластинке) так, чтобы удалить пузырьки воздуха. Процедура выпол-
няется легче, если пластинка в центре слегка выпуклая. На послед-
нем этапе парафином заливают часть почвы, находящуюся между кра-
ем стеклянной пластинки и стенкой чашки (рис. 67). Черные колонии
сульфатредуцирующих бактерий становятся заметными на 3—4-е сут
инкубации. Рост колоний можно наблюдать в течение длительного вре-
мени, нс нарушая целостности камер. Учет количества колоний про-
изводят через 3—4 недели. Болес интенсивное развитие бактерий на-
блюдается при добавлении 0,5 мл дрожжевого экстракта и 0,1 г лак-
тата кальция на 100 г воздушно-сухой почвы.
Для выявления нитчатых железобактерий Leptothrix применяют
метод накопительных культур. Почв}7 или ил вносят в сенпой отвар,
торфяную вытяжку или пептонную воду, куда добавляют источник же-
леза (например, гвозди) или марганца для индикаторных целей.
Для получения накопительной культуры Leptothrix по Виноград-
скому в высокий стеклянный цилиндр вносят небольшое количество
сена, свежеосажденный гидрат окиси железа Ре(ОН)з и немного ила
пли почвы в качестве инокулята, затем цилиндр наполняют водопро-
водной водой или водой из водоема и оставляют при комнатной тем-
пературе. Анаэробное разложение растительных остатков сопровож-
дается выделением углекислого газа и восстановленных продуктов (Н2,
H2S, СН4), необходимых для превращения окисного железа в закис-
ное. Растворимый ЕеСО3 в верхних слоях воды окисляется железобак-
териями и через некоторое время на стенках сосуда появляются тем-
но-бурые пятна, состоящие из скоплений железобактерий.
Для выделения и культивирования Leptothrix используют среды
с низкой концентрацией органических веществ — 0,1—2 г/л, например,
среду с набором минеральных солей по ван Вейну следующего соста-
ва: ' КН9РО4 — 27 мг, К,НРО4 — 40 мг, Na9HPd4-2H2O —0—40 мг,
MgSO4-H2O —75 мг, СаС12-2Н2О —50 мг, FeCl3-6H2O —5 мг, глю-
коза— 100 мг, гидролизат казеина—100 мг (или KNO3), MnSO4 -
50 мг, MnCOi—1 г, закисное железо аммонийное лимоннокислое —
100 мг. Соли марганца и железа, а также набор микроэлементов и ви-
таминов вносят в среду перед посевом. На поверхности среды после
инкубации образуются мелкие черно-коричневые колонии.
Для выделения одноклеточных железобактерий Arthrobacter side-
rocapsulatus ( = Siderocapsa eusphaera) используют среду Прпигсхей-
ма в модификации Тилера следующего состава: MnSO4-4H2O— 0,002%,
дрожжевой экстракт «Дифко»— 0,005%, дистиллированная вода — 1 л,
агар «Дифко» — 1%. Вместо MnSO4 на дно пробирки с жидкой сре-
дой в некоторых случаях вносят стерильно FcS или добавляют лимон-
нокислое аммонийное железо из расчета 50 мг/л. Агаризованную среду
176
с железом используют, нанося на застывший агар густую суспензию
щавелевокислого закисного железа, а сверху — очень тонкий слой сре-
ды указанного состава без марганца. Посев почвенной суспензии про-
изводят на поверхность агара. На плотной среде образуются мелкие
темно-коричневые колонии. При микроскопировании видны кокки и
палочки с капсулами.
Количественный учет железобактерий в пробах почвы, ила, воды
проводят методом прямого счета иа мембранных фильтрах «синпор»
с диаметром пор 0,4 мкм. Для выявления окислов железа на клетках
микроорганизмов фильтры окрашивают эритрозином или желтой кро-
вяной солью с соляной кислотой.
Для выделения из почвы бактерий, окисляющих марганец, поль-
зуются методом посева из почвенных разведений на поверхность пи-
тательных сред. Почвенную суспензию перед посевом обрабатывают
на качалке при 180 об/мин в течение 30 мин. Используют следующие
питательные среды. Среда Лиске (г/л дистиллированной воды):
MnSO4 — 0,02, выщелоченный агар-агар — 20 (в случае плотной сре-
ды) или 1 (в случае полужидкой среды).
Среда Тайлера и Маршалла (г/л дистиллированной воды):
MnSO4— 0,02, дрожжевой экстракт — 0,05, выщелоченный агар-агар —
20 (в случае плотной среды) или—1 (в случае полужидкой среды).
3-я среда — агаризованная почва (г/л): образец изучаемой почвы
(верхний горизонт) — 170, агар-агар — 20, водопроводная вода.
Инкубацию посевов .производят во влажной камере в течение
1,5 месяцев при температуре 25° С. Общее количество микроорганиз-
мов, аккумулирующих марганец и железо, учитывают чаще всего на
агаризованной почве, численность Meiallogeniutn и других марганец-
окисляющих бактерий — на всех трех средах. Наличие марганца в от-
ложениях Meiallogeniutn устанавливают при помощи реакции с соля-
нокислым бензидином.
Для выявления в почве Meiallogeniutn используют также метод
капиллярной микроскопии. Педоскопы заполняют агаризованпым ор-
гано-минеральным гелем, приготовляемым из смеси фульвокислот.
В некоторых случаях используют стекла обрастания по Холодному,
покрытые агаризованпым органо-минеральным гелем. Срок экспози-
ции стекол 2 месяца. Наблюдения ведут под микроскопом. Колонии
Metallogenium выявляют на гифах грибов. Они имеют вид черных
«паучков» в толще агара.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИТАМИНОВ В ПОЧВЕ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДРОЖЖЕЙ КАК ИНДИКАТОРОВ
Культуры дрожжей могут быть использованы в качестве индика-
торных при определении витаминов группы В, потому что среди этих
организмов найдены Штаммы, реагирующие иа присутствие только
одного определенного витамина. Микробиологические методы опреде-
ления витаминов группы «В» с помощью культур дрожжей мы при-
водим в качестве примера использования почвенных микроорганизмов
как биологических индикаторов.
177
Индикаторные культуры ограничены в своих потребностях в от-
ношении других веществ и хорошо развиваются в простой синтетиче-
ской среде.
Схема опыта по обнаружению витаминов группы «В» в почве с
помошыо дрожжевых индикаторных культур заключается в следую-
щем. В каждую из шести стерильных чашек Петри закапывают по
одной капле минусовых (без одного витамина) смесей витаминов и
суспензии дрожжевых культур, индикаторных на определяемые вита-
мины. Чашки заливают расплавленной и охлажденной до 40° стериль-
ной глюкозо-минеральной средой Ридер и тщательно перемешивают
агар быстрым вращением чашки для равномерного распределения
дрожжевой суспензии. На поверхность застывшей среды накладывают
четыре-пять дисков из стерильной фильтровальной бумаги, пропитан-
ной: 1) почвенной суспензией (I—2 диска); 2) стандартным раство-
ром определяемого витамина; 3) автолизатом дрожжей или раствором
смеси всех витаминов; 4) дистиллированной водой.
Водную вытяжку из почвы готовят следующим образом. К 10 г
сухой почвы (без корней) добавляют 90 мл дистиллированной воды
в колбе Эрлснмейера на 150 мл и выдерживают па кипящей водяной
бане в течение 1 ч при постоянном взбалтывании. Уровень жидкости,
отмеченный вначале, доводят до метки стерильной дистиллированной
водой. После декантации жидкость центрифугируют и прозрачную поч-
венную вытяжку разливают в пробирки, отмечают уровень и стерили-
зуют в аппарате Коха, после чего восстанавливают первоначальный
объем дистиллированной водой.
Стандартные растворы витаминов должны содержать их оптималь-
ную для дрожжей концентрацию (мкг/мл): инозит — 5,0, биотип —
0,0001, пантотеновая кислота — 0,25, тиамин (витамин — 1,0, пи-
ридоксин (витамин В6) — 0,25, никотиновая кислота (витамин РР) —
0,5
Сначала готовят исходные растворы витаминов на стерильной дис-
тиллированной воде (10 мл) в стерильных пробирках.
Стандартные растворы витаминов готовят из исходных путем со-
ответствующего их разбавления стерильной дистиллированной водой
при соблюдении стерильных условий. Минусовые смеси витаминов го-
товят из исходных растворов путем смешивания отдельных объемов
всех витаминов без одного определяемого (табл. 4).
Опыты по определению витаминов проводят на глюкозо-минераль-
ной среде Ридер следующего состава (г/л): (NH4)2SO4— 3,0, MgSO4 —
0,7, NaCl — 0,5, КН2РО4— 1,0, К§НРО4— 0,1, глюкоза — 20,0. Если для
приготовления среды используют дистиллированную воду, то в нее
добавляют смесь микроэлементов. Для приготовления агаризованной
среды используют водопроводную воду и агар-агар, не содержащий
примесей. Глюкозу освобождают от примесей витаминов. Для этого
готовят 20%-ный раствор, к которому добавляют 5% активированного
угля и встряхивают в течение получаса. Затем фильтруют через бу-
мажный складчатый фильтр. Среду стерилизуют при 0,25 атм 15 мин.
Рост вокруг дисков отмечают в миллиметрах ширины зоны сти-
178
Составление витаминных смесей
Таблица 4
Вита- минные смеси Концентрации витаминов в ис- ходных растворах, мкг/мл Исходные растворы витаминов, мл Общин объем ви- таминных растворов, мм Объем воды (ДО 20 мл)
ИНОЗИТ биотин пантотено пая к-та в. в0 рр
1 5000 0,4 0,12 0,2 0,1 0,2 1,02 18,98
2 01 0,2 — 0,12 0,2 0,1 0,2 0,82 19,18
3 500 0,2 0,4 — 0,2 0,1 0,2 1,1 18,9
4 1000 0,2 0,4 0,12 — 0,1 0,2 1,02 18,98
5 500 0,2 0,4 0,12 0,2 — 0,2 1,12 18,88
6 500 0,2 0,4 0,12 0,2 0,1 — 1,02 18,98
муляции. Положительным контролем является рост тест-культуры во-
круг диска с дрожжевым автолизатом. Отрицательным — рост вокруг
диска с дистиллированной водой. Интенсивность роста вокруг дисков
с почвенной вытяжкой сравнивают с интенсивностью роста вокруг дис-
ков, смоченных стандартным раствором определяемого витамина. Ре-
зультаты опытов оформляют в таблицу (табл. 5).
Таблица 5
Определение витаминов в почве
Рост вок руг дисков
Чашка Петри, № Варианты (среда Ридер без определяемого витамина) Индикатор) I а я культура почвенная вытяжка автолизат раствор определяе- мого вита- мина дистилли- рованная вода
1 2 3 4 5 6 ИНОЗИТ биотин пантотеновая кислота тиамин пиридоксин никотиновая кислота Saccharornyces carlsbcr- gensis S120D Zygosaccharomyces bispo- rus Z6D Saccharornyces cerevisi ae (ленинградская paca) Pi chi a ferment an s Deb arу om yces d i s porus D2D Zygosaccharomyces mar- xianus Z—734
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Обнаружение микроорганизмов,
принимающих участие в превращениях веществ в почве
Занятие 15. 1. Засеять среду с крахмалом почвенной суспензией
для выявления амилолитических микроорганизмов. На следующем за-
нятии выявить на чашках микроорганизмы, гидролизующие крахмал,,
с помощью реакции с иодом.
179
2. Поставить опыт по выявлению пектинразлагающих грибов с ис-
пользованием метода мацерации растительной ткани (ломтики кар-
тофеля). На следующем занятии отметить наличие или отсутствие ма-
церации картофеля.
3. Поставить опыт по выявлению в почве целлюлозоразлагающих
микроорганизмов методом почвенных пластинок и методом получения
накопительной культуры па среде Имшенецкого. Через две недели
описать разложение клетчатки, промикроскопировав волокна бумаги
из зон разложения, и зарисовать.
4. Пронаблюдать за газообразованием в накопительных культу-
рах метанобразующих бактерий и морфологией последних.
5. Посчитать на мембранном фильтре число темноокрашенпых гиф
и рассчитать биомассу тсмноокрашенного грибного мицелия на I г
почвы.
Занятие 16. 1. Произвести посев комочками почвы в ряд пробирок
-с пептонной водой для выявления аммонификаторов. На следующем
занятии пронаблюдать за образованием сероводорода и аммиака в
пробирках.
2. Произвести посев из разведений почвенной суспензии в ряд про-
бирок со средой Гильтая для обнаружения денитрификаторов и коли-
чественного учета их методом предельных разведений. На следующем
занятии отметить наличие мути, пленок, осадка, изменение цвета сре-
ды, появление пузырьков газа в пробирках. Рассчитать количество
клеток денитрификаторов в 1 г почвы.
3. Засеять почвой жидкую среду Виноградского для обнаружения
нитрификаторов. На следующем занятии проделать реакцию с дифе-
ниламином в крепкой серной кислоте для обнаружения азотной кис-
лоты в накопительной культуре.
4. Поставить опыт по обнаружению в почве азотобактера методом
комочков. На следующем занятии описать колонии азотобактера, раз-
вившиеся вокруг комочков почвы па среде Эшби. Промикроскоииро-
вать и зарисовать.
5. Поставить опыт по обнаружению в почве Clostridium pasleu-
rianuni. На следующем занятии описать рост его на среде Виноград-
ского. Отметить появление запаха, газа, мути, пены в пробирке. Про-
микроскопировать, проделав гранулезную реакцию, и зарисовать.
Занятие 17. 1. Засеять почвенной суспензией (1 : 10) чашки со сре-
дой Менкипой и средой Пиковской для выявления бактерий, разла-
гающих соединения фосфора. На следующем занятии отметить нали-
чие зон растворения мела и трехкальцпевого фосфата на чашках Пет-
ри, свидетельствующих о наличии в почве бактерий, участвующих в
превращениях фосфора.
2. Поставить опыт по выявлению в почве тионовых бактерий. На
следующем занятии проследить за изменениями среды, появлением
мути, падением значения pH раствора, появлением сульфатов в среде.
3. Поставить опыт по выявлению сульфатредуцирующих бактерий
по методу Штурм. Проследить за образованием на чашках черных
точечных колоний сульфатредукторов.
180
4. Пронаблюдать под микроскопом клетки железобактерий и рост
Metallogenium.
5. Зарисовать клубеньки на корнях бобовых растений и просмо-
треть под микроскопом фиксированный препарат клеток клубеньковых
бактерий.
Микробиологические методы определения
витаминов группы «В» в почве
Занятие 18. 1. Приготовить почвенные вытяжки (1 : 10) из несколь-
ких образцов почв.
2. Разлить охлажденную среду Ридер в чашки Петри с одновре-
менным глубинным засевом культурами дрожжей, индикаторными на
витамины группы «В», и добавкой витаминных смесей.
3. Разложить на чашки стерильные кружки фильтровальной бу-
маги, смоченные: а) раствором смеси всех витаминов или дрожжевым
автолизатом; б) раствором определяемого витамина; в) почвенной вы-
тяжкой; г) дистиллированной водой.
На следующем занятии учесть результаты — отметить зоны сти-
муляции роста тест-организмов вокруг дисков.
Глава 3
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ
БИОЛОГИИ ПОЧВ
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ, ПРИНЦИПЫ И КОНЦЕПЦИИ экологии
Биология почв в целом наука экологическая, поэтому к ней при-
менимы основные принципы и концепции экологии.
Экология — паука о структуре и функциях экологических си-
стем. Опа изучает закономерности проявления жизнедеятельности на
всех уровнях организации жизни, начиная с популяционного и кончая
биосферным. Ниже популяционного уровня экологические исследова-
ния адаптаций организмов к условиям жизни смыкаются с физиоло-
гией или ее разделом — экологической физиологией. При выяснении
механизмов адаптаций экология затрагивает вопросы биохимии, ее
экологического раздела — стратегии биохимической адаптации. Изу-
чением биогеоценозов — сложных биокосных систем, включающих
комплексы живых и неживых компонентов природы, — занимается
биогеоцсиология, один из основных разделов экологии. В последние
юды интенсивно развивается глобальная экология (Будыко, 1977)
В экологических исследованиях планетарного уровня значительное
место занимают проблемы биологии почв, в частности роль почвенных
микроорганизмов в создании и поддержании газовой оболочки Земли.
Методологической основой почвоведения служит биогеохимический
подход к изучению почвы. Почва, с одной стороны, — это косное тело,
обладающее плодородием__и характеризующееся органо-минеральным
составом-!! профТгжйым строением. С этих позиций почва по отноше-
нию к населяющим ее организмам выступает как среда обитания.
С другой стороны, живой компонент почвы, се биота, — неотъемлемая
часть почвы, определяющая ее функциональную роль в экосистемах
планеты, процессы превращения вещества и энергии в биогеоценозах
суши. Некоторые исследователи рассматривают живое население поч-
вы как ее четвертою фазу наряду с твердой, жидкой и газообразной.
Сообщества почвенных организмов — это интегральный показатель
функциональных свойств почв и индикатор па ее физические и хими-
ческие свойства.
Экологические аспекты почвенной биологии включают проблемы
взаимодействия, во-первых, между живой частью экосистемы и сре-
дой, во-вторых — между'отдельными популяциями в биотическом со-
обществе.
182
Прежде чем перейти к рассмотрению этих двух сторон экологии
почвенных организмов, -остановимся на раскрытии некоторых концеп-
ций и понятий, которые важны для изложения последующего мате-
риала.
Основной принцип экологии — системный подход к изучению яв-
лений природы. Система — это единство упорядоченно взаимодей-
ствующих и взаимозависимых компонентов, функционирующих как
нечто целое. В экологические системы разного уровня слож-
ности организации могут входить отдельные популяции, группы по-
пуляций или целые сообщества. Популяцией в экологии называют
совокупность близких особей (часто членов одного вида) с одной эко-
логической функцией. Популяции занимают определенную часть про-
странственно однородной среды. Группы популяций на определенной
площади составляют сообщество (биотическое сообщество).
Понятиям «сообщество» и «экосистема» в некоторой степени соот-
ветствуют представления о биоценозе и биогеоценозе.
Биогеоценоз — понятие, введенное в науку академиком
В. Н. Сукачевым в 1940 г. — это «совокупность на известном протя-
жении земной поверхности однородных природных явлений (атмосфе-
ры, горной породы, растительности, животного мира и мира микро-
организмов, почвы и гидрологических условий), имеющая свою особую
специфику взаимодействий слагающих ее компонентов и определен-
ный тип обмена веществом и энергией между собой и другими явле-
ниями природы и представляющая собой внутренне противоречивое
единство, находящееся в постоянном движении, развитии». Биогеоценоз
слагается, таким образом, из живой и неживой частей, соответственно
биоценоза и биотопа. Границы наземных биогеоценозов опре-
деляются обычно по растительным компонентам. В отличие от экоси-
стемы биогеоценоз — понятие пространственно более определенное.
Экосистемой может быть капля воды, лист растения с находящимися
на нем микроорганизмами и т. и.
Каждая популяция, входящая в состав биотического сообщества
и занимающая определенное место в биогеоценозе, характеризуется
такими показателями, как местообитание и экологическая
н и ш а. Понятие местообитания — той среды пли части среды, в ко-
торой популяция живет и функционирует, — следует отличать от ме-
стонахождения, где организм может быть обнаружен в результате
случайного попадания. Особенно важно различать эти понятия в при-
менении к микроорганизмам, так как они легко распространяются во
внешней среде и могут быть найдены в самых разнообразных почвах,
которые не обязательно будут характерным местообитанием обнару-
женных видов.
Экологическая ниша, в отличие от местообитания, нс строго хо-
рологическое (пространственное) понятие. Она характеризует ступень
экологической специализации данной популяции, се положение в био-
геоценозе как функциональной единицы. Экологическая ниша имеет
биотопическую, трофическую и многомерную (факторную) проекции.
Она реализуется популяцией в той мере, в какой позволяют это усло-
183
вия среды. Те условия, которые оказывают действие на проявление
активности популяции, носят название факторов. Есть факторы
средообразующие и факторы адаптации. В результате адаптационных
изменений в популяции возникают и стабилизируются новые свойства,
которые лежат в основе видообразования.
Таким образом, в популяциях зарождается п развивается процесс
эволюции. Факторы, находящиеся в минимуме или в максимальном
проявлении, ограничивающем развитие, называют л и м и т и р у ю щ и м и
факторами.
Популяционная экология, или аутэкология, исследует взаи-
моотношения со средой и приспособление к среде отдельных видов иа
популяционном уровне. Основная проблема аутэкологии — флуктуации
численности популяций.
Экология сообщества, или синэкология, изучает взаимоотно-
шения между членами сообществ, структуру сообществ, законы гомео-
стаза и сукцессии. Гомеостаз — способность сообщества сохранять
устойчивость при стрессовых воздействиях биологических и нсбиологп-
ческих факторов. Гомеостаз возможен благодаря наличию в системе
механизмов регуляции и координации. Сдвиг в численности одной по-
пуляции сопровождается, например, возникновением противоположных
сдвигов в других популяциях, замещающих первую, что приводит к
восстановлению биологического равновесия. Чем выше видовое раз-
нообразие сообщества, тем большей степенью гомеостаза оно харак-
теризуется. В молодых экосистемах число видов обычно невелико и
резко проявляется доминирование, в зрелых системах имеется высокое
разнообразие составляющих сообщество видов и слабая выраженность
доминаптов. Во времени происходит упорядоченный и направленный
процесс изменения сообщества в результате взаимодействия его ком-
понентов между собой и с абиотической средой, который носит назва-
ние сукцессии. Сукцессионные изменения сообществ в разной сте-
пени связаны с внешними и внутренними по отношению к сообществу
факторами. В любом случае параллельно происходят изменения ви-
довых популяций и изменения условий среды. Сукцессии могут затра-
гивать весь биогеоценоз или происходят в отдельных его частях, на-
пример сукцессии сапротрофного комплекса 'организмов при разложе-
нии растительного опада в подстилке. Сукцессии в экологии можно-
сравнить с эволюцией в общей биологии. От пионерного сообщества
(тундра, агроценоз) до климакспого (лес, степь) происходит увели-
чение стабильности системы за счет гетерогенности его структуры и
развития симбиотических связей.
Почва — обязательный компонент всех наземных биогеоценозов,
это основа, связывающая в единую функционирующую систему все
остальные компоненты БГЦ. Как естественноисторическое биокосное
тело почва обладает целым рядом свойств, которые можно разделить
на две группы. К первой относятся признаки устойчивые, которые «за-
писаны» в почвенном профиле и сохраняются после изъятия почвы из
среды. Это свойства консервативные, сравнительно, мало изменяющие-
ся во времени. Вторая группа — признаки динамические, связанные
184
с режимами (температурный, водный,
ределяются современными условиями и
вообитаюших организмов.
воздушный). Эти свойства оп-
тесно связаны с экологией поч-
ПОЧ8А КАК СРЕДА ОБИТАНИЯ
С позиции экологии почвенных организмов почва — это их среда
жизни, местообитание. Однако если для макроорганизмов почва пред-
стает как целостная среда разной плотности сложения, для мезофау-
ны — как система пор и псшср, заполненных водой (раствором) или
воздухом, то для микроорганизмов почва представляет собой сложную,
очень гетерогенную систему микросред с резко противоположными
условиями лаже в одном мпкролокусе. В любом, даже самом мелком,
агрегате почвы па поверхности могут быть одни условия аэрации, влаж-
ности, pH, наличия доступных элементов питания, а внутри — совер-
шенно иные. Поэтому усредненные показатели таких свойств почв, как
содержание гумуса, pH, окислительно-восстановительный потенциал
(ОВП), имеют разное значение при изучении условий жизни в почве
корневых систем растений, крупных и средних животных или микро-
организмов. В отличие от макрообитателей почв, среди микроскопи-
ческих геобнонтов в почве можно найти представителен разных жиз-
ненных форм — гидробионтов, аэробионтов и обитателей твердой фазы.
Наиболее характерная особенность жизни микроорганизмов в поч-
ве— их адсорбция. Оли закреплены па поверхности почвенных частиц,
па 'Органических остатках, на живых корнях растений. Это состояние
иначе называют иммобилизацией. По отношению к обшей поверхности
почвы микроорганизмы занимают лишь сотые или десятые доли про-
цента, они не составляют единой непрерывной пленки, а располагаются
небольшими колониями в микроочагах. Колонии микроорганизмов
обычно разобщены, и взаимодействие между ними осуществляется не
в рамках всей почвенной системы, а в отдельных локусах.
Другой особенностью почвенного микронаселения можно считать
то, что большая часть его представителей находится в почве в неак-
тивном состоянии, в виде покоящихся спор, цист, хламидоспор, других
анабиотических структур пли вегетативных клеток в стадии поддер-
жания, но нс размножения. Вместе все они составляют общий микроб-
ный запас, или пул, обеспечивающий гомеостаз системы -— равно-
весное содержание гумуса, физиологически активных веществ, уровня
минеральных и органических веществ, степень разрушения минералов,
определенные физические и химические параметры. Микробный пул
поддерживается постоянным поступлением доступных веществ из жи-
вых растений (в виде корневых выделений) или из почвенных храни-
лищ — из гумуса, за счет наличия в почве запаса иммобилизованных
внеклеточных гидролитических ферментов. Каждая почва характери-
зуется определенным пулом микроорганизмов и их метаболитов, глав-
ным образом ферментов. При этом среда отбирает, а организмы ока-
зывают средообразующее действие.
7 Е-ИО.ТОГ.ИЯ почв
185
Рассмотрим схематично систему микроорганизмы — почва.
Каждая почва имеет твердую часть, жидкую — почвенный раствор и
газовую фазу.
Твердая часть почвы имеет наибольшее значение как мес-
тообитание микроорганизмов. На поверхности почвенных частиц со-
Рис. 68. Взаимодействие бактериальных клеток с почвенными частицами
(по Д. Г. Звягинцеву, 1973).
75-150 150'250 250-500 5001000
£ 2,0
£
'S 1,5
Е
| ]’°
10,5
О
Размеры почвенных частиц при
максимальной подвижности не -
матод, мкм
Рис. 69. Подвижность нематод в почве с
частицами разного размера
А — rieieradcra schachtii, почвенные части-
цы 75—150 мкм, Б — Ditylenchus dipsaci,
почвенные частицы 150—200мкм, В — опти-
мальный размер почвенных частиц для
движения нематод разных размеров (кру-
жок соответствует одному виду) (по
Т Hattori, 1973)
средоточены основные запасы пи-
тательных веществ: гумус, орга-
но-минеральные коллоиды, катио-
ны Са, Mg и др. Их концентра-
ция здесь значительно выше, чем'
в почвенном растворе. Попытка
создавать питательные среды для
почвенных микроорганизмов, ис-
ходя из содержания веществ в
почвенном растворе, теоретиче-
ски неверна, так как это не соот-
ветствует условиям их жизни в
естественной среде. Тот факт,
что микроорганизмы фиксируют-
ся на поверхности частиц, имеет
большое значение для их жизне-
деятельности: адсорбированным
клеткам, выделяющим экзофер-
менты, легче использовать суб-
страт, к которому они прикрепле-
ны. От 80 до 90% бактериаль-
ных клеток в почве удерживают-
ся на поверхности или внутри
почвенных агрегатов (рис. 68).
Грибные споры большей частью
обнаруживаются на поверхности
крупных частиц, а гифы разви-
ваются предпочтительно па орга-
ническом субстрате. Некоторые
споры грибов прорастают внутри
В
186
агрегатов. В межагрегатных пространствах живут микроорганизмы и
представители почвенной микрофауны. Нематоды имеют наибольшую
подвижность в случае, когда поровые пространства между агрегатами
частично заполнены водой. Подвижность их варьирует в зависимости
от соотношения размеров агрегатов и величии червой (рис. 69).
Твердая фаза обеспечивает мо-
заичность и гетерогенность почвы как
среды обитания. В состав се входят
главным образом минеральные соеди-
нения и в меньшей степени — орга-
нические остатки растений. Мине-
ральная часть представлена мелкими
частицами вторичных и первичных
минералов, имеющих колоссальную
поверхность: глинистые минералы —
до 100 м’ в 1 г, слоистые — до
600 м2/г. Адсорбция клеток иа этих
поверхностях предотвращает их вы-
мывание. Адсорбированное состояние
повышает устойчивость микроорга-
низмов к воздействию неблагоприят-
ных факторов и способствует сохра-
Рис. 70. Развитие микроорганизмов
в капиллярах и водных пленках раз-
ной толщины (по Д. Г. Звягинцеву,
1973)
нению постоянства процессов круговорота веществ в почве.
Почвенный раствор, составляющий жидкую часть почвы,
заполняет капилляры и образует водные пленки вокруг почвенных
частиц. При насыщении почвы влагой до полной влагоемкости почти
все поры и пространства заняты раствором, за исключением нор с «за-
щемленным воздухом». Такое состояние почвы сказывается на ее аэра-
ции и способствует развитию анаэробных процессов.
Большое значение для развития почвенных микроорганизмов име-
ют размеры капилляров, заполненных водой. В тонких капиллярах
микроорганизмы не размножаются и не метаболизируют (рис. 70).
Микроорганизмы развиваются при наличии в почве определенного
количества влаги, которое выражается в разных величинах. Активность
воды ак>—это отношение давления пара над раствором к давлению
пара над чистой водой. Низкая активность воды тормозит развитие
микроорганизмов. Пределы aw для бактерий — 0,95, для актином ине-
тов — 0,80, для грибов — 0,60. Некоторые почвенные грибы, выделен-
ные из почв аридных районов, развиваются при а1Г ниже 0,60. Напри-
мер, Acroihecium apicale из пустынных сероземов Туркмении разви-
вался в лабораторных условиях при искусственно созданной активности
воды в среде 0,45.
Для aw имеет значение концентрация почвенного раствора. В сред-
нем она составляет 0,05—0,5 г/100 мл, летом концентрация увеличи-
вается за счет интенсивного испарения влаги с поверхности почвы, к
осени — уменьшается. В составе почвенного раствора есть минераль-
ные, органо-минеральные и органические вещества. Их соотношение
неодинаково в почвах разных типов, оно меняется также по горнзоп*
187
там и по сезонам года. В подзолах и болотных почвах органические
вещества преобладают, в черноземах примерно равное соотношение
органических и минеральных веществ, а в каштановых и сероземах
больше минеральных веществ, чем органических. В верхних горизон-
тах, как правило, концентрация органических вешсств выше, чем в
нижних. Из минеральных веществ в минимуме обычно находятся азот
н фосфор. Калий входит в состав твердой части почвы. Большое зна-
чение для развития растении, животных и микроорганизмов в почве
имеет содержание микроэлементов в почвенном растворе. Молибден
усиливает азотфиксацию, уран и радий в малых дозах оказывают сти-
мулирующее действие на микроорганизмы, бор активизирует нитри-
фикацию, цинк, марганец и мышьяк влияют на развитие простейших,
тяжелые металлы (кадмий, свинец, ртуть) снижают фиксацию азота
и тормозят рост многих микроорганизмов.
Среди органических веществ почвенного раствора есть такие, ко-
торые оказывают действие в малых концентрациях. Это физиологиче-
ски активные соединения, вырабатываемые микроорганизмами почвы
пли поступающие вместе с корневыми выделениями. К физиологиче-
ски активным веществам относятся витамины, ферменты, ауксины, гиб-
береллины и др. Больше всего их в зоне ризосферы.
С почвенным раствором связано понятие осмотического давления.
Оно колеблется в среднем от 50 до 500 кПа. Чем суше почва, тем
/выше осмотическое давление почвенного раствора. Черноземы, солон-
' цы, солончаки развивают давление до 10 000 кПа, в болотных почвах
оно наиболее низкое. Среди микроорганизмов, живущих в почвах с
высоким осмотическим давлением почвенного раствора, встречаются
галотолерантные и галофильпые формы. Широко распространенные
почвенные бактерии дают в таких условиях экотипы. Например, Ba-
cillus mycoides и Azotobacler chroococcum имеют разное осмотическое
давление в клетках в зависимости от местообитания: в зоне дерново-
подзолистых почв юно в 3—4 раза ниже, чем в черноземах. В почвах
Средней Азии процесс аммонификации не останавливается при осмо-
тическом давлении почвенного раствора вплоть до 8 тыс кПа, а нитри-
фикация при таких условиях прекращается.
Почвенный воздух находится в почвенных порах, не запол-
ненных водой. Почвенные поры составляют от 25 до 70% общего объе-
ма почвы. Содержание воздуха в почве зависит от ее влажности: газ
и вода в почве — антагонисты, 'особенно в бесструктурной почве. Раз-
личают пористость аэрации — объем свободных пор, по которым про-
исходит связь почвенного воздуха с атмосферным. Состав почвенного
воздуха значительно отличается от атмосферного и определяется, с
одной стороны, биохимическими процессами, идущими в почве, а с дру-
гой — обменом с атмосферой. Роль почвы в газовом обмене земной
коры и в состоянии атмосферы огромна. Почвы — это мощный регу-
лятор газового состава атмосферного воздуха. При газообмене между
почвой п атмосферой обычно идет выделение СО2 и поглощение О2.
Это так называемое «дыхание почвы», в основе которого лежат про-
цессы минерализации микроорганизмами органических веществ. При
188
обмене с атмосферой из почвы постоянно выделяется помимо СОг ме-
тан (па его образование идет 1% разлагающегося органического ве-
щества), водород, азот, окислы азота, окись углерода (угарный газ)
и летучие органические соединения. При внесении в почву больших
доз азотных удобрений происходит выброс недоокислеиных продуктов
в атмосферу, что грозит нарушить озоновый экран.
Как влияет газовая фаза на жизнь почвенных обитателей? Поч-
венный воздух отличается от атмосферного прежде всего тем, что он
содержит в 10—100 раз больше углекислого газа и значительно мень-
ше кислорода. Если в атмосферном воздухе углекислый газ составляет
0,03%, то в почвенном 0,3—1,5% СО2 в верхнем слое и 2,0—3,0% на
глубине 20—30 см. При затоплении почв содержание СО2 в защемлен-
ном воздухе почвенных пор достигает 10% и выше. В щелочных поч-
вах с pH 10 углекислый газ в почвенном воздухе отсутствует. Содержа-
ние кислорода колеблется от Одо 20%. Он проникает в почву из надзем-
ной части экосистемы путем пассивной диффузии. Активная деятель-
ность микроорганизмов при поступлении в почву органических веществ
приводит к резкому снижению содержания кислорода. Концентрация
азота мало отличается от атмосферного.
Почвенный воздух всегда содержит пары воды. Это имеет суще-
ственное значение в перераспределении воды по отдельным микрозо-
нам и в выравнивании потенциала влаги по всей почвенной массе.
Большую часть времени почвенный воздух близок к насыщению во-
дяными парами. При увлажнении почвы до максимальной гигроско-
пичюости активность воды в почве равна 0,94. Снабжение почвенных
микроорганизмов газообразной водой — важный фактор в создании бла-
гоприятных условий для их развития. Многие почвенные микроорга-
низмы выделяют слизистые вещества, образующие наружные покры-
тия клеток в виде капсул, слизистых слоев, чехлов и влагалищ. Эти
покрытия состоят из полисахаридов, обладающих высокой гигроско-
пичностью. Капсулы, по-видимому, играют существенную роль в вод-
ном обмене клетки: с их участием происходит сорбция воды из водя-
ных паров при относительно низком значении aw. Возможно, что бла-
годаря капсулам клетки способны поглощать из почвенного воздуха
не только парообразную воду, но и летучие органические соедине-
ния, многие из которых обладают высокой физиологической актив-
ностью.
По отношению к степени аэробности газовой среды микроорганиз-
мы делят на аэробы, облигатные и факультативные анаэробы и мик-
роаэрофилы. Последняя группировка объединяет большинство почвен-
ных организмов. Для них оптимальными являются условия понижен-
ного кислородного напряжения. Если выразить степень аэробности в
значениях гН2, то аэробы занимают диапазон от 10 до 35, а анаэробы
от 0 до 30 (рис. 71).
Многие почвенные микроорганизмы хорошо переносят высокие
концентрации СО2. Например, для почвенных цианобактерий оптималь-
ным является содержание 1% СО2, а некоторые из них прекращают
рост только при 12% СО2 и выше. Высокие дозы СО2 в почвенном
189
воздухе влияют на развитие и морфологию микроорганизмов: некото-
рые бактерии начинают образовывать фимбрии, мукоровые грибы пе-
реходят от мицелиального к дрожжевому росту. В почве происходит
селекция устойчивых к СО2 микробов. Хорошо адаптированы к газо-
вому режиму почвы и обильно при этом спорулируют грибы родов Рр-
nicillium, Aspergillus, Fusarium, Trichoderma, которые относятся к на-
иболее обычным обитателям почв.
Почвенные грибы и прокариоты образуют разнообразные летучие
соединения органической природы. Известен, например, геосмип — ле-
тучее вещество со специфическим запахом земли. Его выделяют акти-
номицеты. Микроорганизмы способны проводить метилирование ртути
и других металлов с образованием вы-
।_______।______।_______1------1
О 10 20 30 40
гН2
Рис. 71. Зоны г Н2 для развития
аэробных и анаэробных микроор-
ганизмов
1 — аэробы, 2 — анаэробы
сокотоксичных продуктов, например мо-
нометил- и днметилртути. Органические
летучие вещества оказывают влияние па
развитие микроорганизмов, иногда ме-
няя их морфологию, иногда действуя
как антибиотики. Их называют поэтому
«средовыми гормонами». Выделяют га-
зообразные вещества п корни растений.
Микрозональность почвы создает
возможность одновременно развиваться
в небольших участках аэробным и анаэ-
робным организмам. В одном агрегате
существует градиент концентрации кислорода при переходе от поверх-
ности агрегата к его внутренним пространствам. Благодаря выделяю-
щимся газам осуществляется связь микрозон между собой, так как
газовая фаза более подвижна по сравнению с жидкой и твердой ча-
стями почвы.
Из внешних факторов, не связанных с состоянием почвенных фаз,
но оказывающих существенное влияние иа развитие почвообитающих
организмов, следует выделить температуру. В почвах разных эко-
систем относительный поток тепла резко различается в отношении су-
точных и сезонных колебаний. В пустынных ландшафтах, например в
Каракумах, температура поверхности почвы может превышать 70°, а
суточный размах колебаний температуры достигает 50°. Однако на
глубине 20 см он снижается до 1°, а на глубине 2 м суточные колеба-
ния практически отсутствуют. Сезонные колебания, в отличие от су-
точных, охватывают весь профиль почвы. В темно-серой лесной почве
под дубовым лесом сезонные колебания температуры в верхнем гори-
зонте составляют 16°, а па глубине 3 м в 3 раза меньше. В криоморф-
ных почвах имеется мерзлотный горизонт, который сильно влияет па
температурный режим этих почв. Корни растений в этот горизонт не
проникают, поэтому в толще почвы растительных остатков мало. Про-
цессы гумификации замедлены, идет накопление торфяной массы. Даже
в летний период в мерзлотном горизонте всегда нулевая температура.
Суточные колебания невелики, а сезонные имеют довольно большой
размах.
190
Температура влияет на скорость биохимических реакций и огра-
ничивает рост. В температурном диапазоне роста каждого организма
можно выделить три зоны — минимальную, оптимальную и максималь-
ную. Эти зоны могут сдвигаться в зависимости от других факторов,
и в первую очередь от влажности. Известное явление констелляции
факторов заключается в том, что в совокупном виде действие факто-
ров проявляется иначе, чем в отдельности. Так, в условиях оптималь-
ной влажности организмы иначе реагируют на изменения температуры,
чем при недостатке пли избытке влаги. По отношению к температуре
выделяют мезофильные, термофильные, психрофильные и термотолс-
рантные группировки (рис. 72). Большинство почвенных микроорга-
низмов — мезофиты с оптимумом роста 26—30°. Среди актиномицетов
и бактерии есть термофилы, минимальная температура роста которых
лежит выше 30°, а оптимальная — 50—60°. Некоторые бактерии спо-
собны развиваться при температуре 80° и даже выше. Дрожжи — наи-
более низкотемпературная группа почвенных организмов. Средн них
есть роды, включающие только психрофильные виды, например род
Leucosporidiutn. Оптимум для них 12—15°, а выше 18—20° они прекра-
щают рост. При определенном составе среды они могут развиваться
даже при 'отрицательных температурах до —7 —10°. В полярных райо-
нах почвы содержат значительную пропорцию популяций психрофиль-
иых микроорганизмов. Например, в некоторых случаях психрофильные
дрожжи составляют 80—100% от общей их численности в почвах
тундры.
Термофилы в природных условиях активно развиваются там, где
идет разложение больших скоплений органического вещества — в ком-
постных и навозных кучах, в глубоких слоях подстилки. В принципе
же, учитывая микрозоналыюсть почвы как среды обитания, можно
предположить возможность развития микроорганизмов разных темпе-
191
ратурных групп в одной почве одновременно. Вблизи корней растений
температура обычно на 1—2° выше, чем вис корня; резко меняется
температура и с глубиной, о чем говорилось выше. В местообитаниях
некоторых общественных насекомых, живущих в почве, температура
искусственно поддерживается на определенном уровне. Например, в
гнездах рыжих лесных муравьев Formica rufa юна в течение всего се-
зона с весны по осень держится па уровне 29°. В этих условиях идет
отбор специфических микробных симбионтов.
Вычленить влияние температурного фактора на активность мик-
роорганизмов в почве по изменению их численности в разные сезоны
года, включая зиму, очень трудно, потому что вместе с температурой
изменяются и другие параметры, оказывающие влияние па жизнь.
Корневые системы растений зимой перестают расти, животные впада-
ют в спячку или образуют покоящиеся стадии, грибы резко снижают
рост, за исключением дрожжей, которые хотя и медленно, но способ-
ны размножаться при температурах около 0°. Поэтому роль дрожже-
вых грибов в разложении растительных остатков особенно значительна
в холодные периоды года.
Другим сильно действующим фактором в почвенной среде обита-
ния служит активная кислотность почвенного р а с т в о-
р а. Изменения pH как в одну, так и в другую сторону от нейтраль-
ных значений ограничивают рост и активность пючвообитающих орга-
низмов. Кислотность, связанная с недостатком кальция и повышенным
содержанием в среде алюминия и марганца, оказывается неблагопри-
ятной для жизни дождевых червей. Это сказывается, в свою очередь,
па разложении лесной подстилки и активности многих групп почвен-
ной микрофлоры. В кислых почвах увеличивается роль грибов, устой-
чивых к низким значениям pH. Оптимум pH для большинства бакте-
рий и актиномицетов обычно лежит между 6 и 8, а для грибов 3—5.
В кислых почвах тормозится развитие азотобактера и на них не
растут многие представители семейства бобовых. Следовательно, про-
цессы азотфиксации либо заторможены, либо они осуществляются кис-
лотоустойчивыми бактериями, например членами рода Beijerinckia.
К низким значениям pH чувствительны нитрификаторы, однако их
развитие в почвах часто определяется не этим фактором, а связанны-
ми с ним другими явлениями (состояние Са и растительности). Более
сильное отрицательное действие на нитрификаторов оказывает щелоч-
ная среда.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ
ПО ПОЧВЕННОМУ ПРОФИЛЮ
И ИХ ПЕРЕМЕЩЕНИЕ
На распределение микроорганизмов в почвенном профиле оказы-
вает влияние, в первую очередь, запас органического вещества. Как
правило, профильное распределение микроорганизмов соответствует
содержанию гумуса по горизонтам почвы: наибольшая их численность
обнаруживается в верхних органогенных слоях, а с глубиной она убы-
192
васт более или менее резко в зависимости от типа почвы (рис. 73).
При сильном летнем иссушении почвы максимум численности может
быть обнаружен не в верхнем слое, а на некоторой глубине, где со-
храняется влага. Высокая численность микроорганизмов характерна
для иллювиального горизонта, погребенных или надмерзлотных гори-
зонтов в почвах тундры.
Водоросли обычно сосредоточены в верхних 5 см почвы и особенно
на поверхности. Грибы очень четко связаны с распределением органи-
ческого вещества. В глубоких минеральных горизонтах почвы преоб-
Рнс. 73. Распределение микроорганизмов (тыс./г) по профилю разных
почв (численность по Е. Н. Мишустину и др., 1979)
ладают олиготрофные группировки бактерии и обычны дрожжи рода
Lipomyces. Распределение простейших следует за общей численностью
микроорганизмов, и, как правило, их больше в верхних горизонтах
почв.
Большое влияние на распределение и перемещение организмов в
почвенных слоях оказывают корни растений. Они служат источником
органических веществ и на их поверхности обитает гораздо больше
микроорганизмов, чем в окружающей почве.
Перемещение организмов в почве может быть активное и пассив-
ное. Активно передвигаются все животные и растущие корни растений.
Микроскопические животные, простейшие, передвигаются по почве во
влажной среде, по системе капилляров, заполненных водным раство-
ром. Многие бактерии, обладающие жгутиками, также активно пере-
двигаются в системе водных пленок, пор и капилляров. Они обладают
таксисами. Хемотаксис — передвижение по градиенту концентра-
ции химических веществ; аэротаксис — реакция иа аэрацию, фо-
тотаксис — иа свет. Скользящие бактерии, гифы грибов и актпно-
мицетов перемещаются на небольших пространствах по поверхности
плотного субстрата. Некоторые водоросли и миксомицеты имеют под-
вижные стадии клеток со жгутиками, которые обеспечивают им рас-
селение по влажным поверхностям и каналам почвенной системы. Гри-
бы и актииомицеты образуют споры размножения, имеющие гидрофоб-
193
пыс покрытия. Благодаря этому они сосредотачиваются на поверхности
водных капель и пленок, выносятся в верхние слои и при высыхании
разносятся воздушными течениями. Большую роль в перемещении мик-
роорганизмов по почвенной толще играют почвообитающие животные,
которые переносят микробные клетки па своих покровах, либо загла-
тывая их с пищей, а затем выбрасывая в других местах с экскремен-
тами. Пассивное перемещение микроорганизмов происходит также с
почвенной влагой и с корнями растений.
ОРГАНИЗАЦИЯ И ТИПЫ СВЯЗЕЙ
В БИОТИЧЕСКОМ СООБЩЕСТВЕ
Совокупность популяций, населяющих определенный биотоп, но-
сит название биотического сообщества. В объеме биогеоценоза это
будет живая его часть — биоценоз. Сообщество — это организацион-
ная, структурная и функциональная единица экосистемы. Оно обла-
дает особыми свойствами, не присущими отдельным слагающим его
элементам. Изучать биотическое сообщество можно с двух позиций.
Количественные исследования структуры сообщества дают возмож-
ность оценить продуктивные особенности системы; качественные ис-
следования экологических связей отдельных звеньев в сообществе по-
зволяют понять особенности метаболической организации и функцио-
нальной роли слагающих сообщество элементов.
Факторами, регулирующими состав и стабильность биотического
сообщества, являются взаимодействие и взаимоотношения между его
членами, с одной стороны, и между сообществом и абиотической сре-
дой — с другой.
Основные типы связей, которые устанавливаются между членами
биотического сообщества — трофические (пищевые) и метаболические
(посредством продуктов обмена веществ, выделяемых во внешнюю
среду). Различают много типов разнообразных связей в той и другой
группе взаимоотношений. В мире микроорганизмов их разделение на
пищевые и метаболические не всегда возможно. Кроме того, взаимо-
отношения могут быть межвидовые и внутривидовые или внутрипо-
пуляциюнные. Рассмотрим эти подразделения на нескольких примерах.
Трофические связи. Наиболее четко выраженная связь этого типа
осуществляется в системе хищник — жертва. Такая связь характери-
зуется активным поиском и прямой атакой со стороны хищника. В поч-
венной среде эта связь выражена между животными и микроорганиз-
мами, которыми они питаются. Амебы «заглатывают» клетки бактерий,
водорослей и дрожжей, хищные нематоды поедают более мелких жи-
вотных и микробов, клещи питаются ногохвостками, нематодами, эн-
хитрендами и т. д. Трофические 'связи у микроорганизмов проявляются
в метабиотическом (последовательном) использовании субстрата, в
конкуренции за один и тот же субстрат или в совместном и одновре-
менном его использовании (синтрофия). При конкурентном взаимодей-
ствии имеют значения кинетические параметры роста: быстрее потреб-
ляет субстрат тот организм, который в данных условиях обладает
194
лучшими ростовыми показателями. Такие отношения четко прослежи-
ваются при разложении растительного опада на первых стадиях: кон-
куренция за легкорастворимые органические вещества в группе саха-
ролитических грибов определяется скоростью их роста при данной
температуре и других условиях среды. Это приводит к смене одних
форм другими, т. е. является движущей силой сукцессионных смей в
сообществе. Синтрофные и метабиотические взаимоотношения также
широко известны в мире микроорганизмов. При метабиозе одна группа
популяций потребляет те продукты, которые образуют их предшест-
венники. Самый яркий пример — нитрифицирующие бактерии: виды
Nitrobacter потребляют редкий продукт — нитриты, которые проду-
цируют нитрозныс бактерии. Многие микробные ассоциации в почве
существуют на основе межвидового переноса водорода. Сиитрофными
отношениями называют пищевые связи в том случае, когда субстрат
потребляется только смешанными популяциями, не способными к его
использованию в чистых культурах. Наиболее широко распространен-
ным типом синтрофпого взаимодействия является обмен факторами
роста. Часто встречаются также синтрофные ассоциации, основанные
на обмене субстратами роста, или удалении токсических продуктов
обмена.
Метаболические (аллелохимические) связи. Все живые организмы
выделяют во внешнюю среду различные продукты, выполняющие
функции сигнальных метаболитов. На этом основано явление аллело-
патии. Растения выделяют разнообразные вещества, объединяемые
общим названием колины, которые выполняют роль регуляторов вну-
тренних н внешних взаимоотношений, обновляющих, развивающих и
сменяющих растительный покров в биогеоценозе.
Насекомые образуют разнообразные вещества, отталкивающие
(репсленты) и привлекающие (аттрактанты) других насекомых или
особей другого пола.
Микроорганизмы выделяют во внешнюю среду физиологически
активные вещества разной химической природы, общим биологическим
свойством которых является то, что они действуют в малых концен-
трациях и выполняют функцию «сигнала» в работе системы. Сигналь-
ные метаболиты — основной «язык» микробного мира.
Трофические и метаболические механизмы связей лежат в основе
всех возникающих в природе ассоциаций разных организмов. Разли-
чают ассоциации с «положительным» либо «отрицательным» выходом
для одного или двух ассоциантов. Первый тип ассоциаций часто на-
зывают симбиозом, хотя предложенный в 1879 г. А. де Бари тер-
мин «симбиоз» означал, в понимании автора, совместное существова-
ние двух несхожих организмов, влияющих любым образом друг на
друга, вплоть до паразитизма. Положительные взаимодействия между
ассоцпантамп бывают выражены в очень слабой или резкой форме,
они могут меняться по ходу развития ассоциации и в зависимости от
условий окружающей среды.
Пр ото кооперация — совместное освоение субстрата двумя
популяциями, когда они вместе быстрее и полнее используют его, чем
195
порознь. Например, разложение целлюлозы идет лучше в комплексе с
азотфиксаторами. В основе прото кооперации лежат зачастую сингроф-
ные связи.
Ком м е н с а л и з м — сожительство одних организмов с другими,
которые служат местообитанием, а первые не причиняют им вреда.
Комменсалами являются многие микроорганизмы, живущие на внеш-
них покровах и во внутренних органах высших организмов — живот-
ных и растений. Эпифиты, колонизирующие надземные части растений,
живут как комменсалы. Энибионтами-комменсалами являются многие
простейшие, использующие покровы растительных или животных орга-
низмов как среду обитания. Эндокомменсалы живут в кишечном трак-
те. Не все они безразличны для макроорганизма-хозяина: комменса-
лы вырабатывают витамины, ферменты, создают определенную среду,
способствуют лучшему перевариванию и усвоению пищи. Отношения
между комменсалами и их хозяевами могут складываться на основе
метабиоза.
Мутуализм — крайняя степень симбиотических взаимоотноше-
ний, когда организмы-симбионты не могут существовать раздельно.
Мутуалистические взаимоотношения полезны и выгодны для обоих
партнеров, но часто они находятся на грани паразитизма и в зависи-
мости от условий внешней среды могут по-разному проявляться. Му-
туалистические связи существуют в лишайниках между грибами и во-
дорослями. Артроподы имеют облигатных симбионтов из риккетсий,
бактерий, дрожжей и простейших. Эндосимбионты локализуются в ки-
шечнике, мальпигиевых сосудах и в специальных органах так назы-
ваемого жирового тела, образуя мицетомы. Партнеры не всегда полу-
чают равную выгоду. Связь обычно осуществляется через питание: мик-
роорганизмы снабжают хозяина витаминами, стеролами, а от него
получают кров и пищу. Тесные сожительства по типу мутуализма из-
вестны средн многих насекомых и грибов. Жуки-короеды разводят
грибы в галереях, где они откладывают яйца. Вылупляющиеся из них
личинки питаются «амброзией» — налетом грибного мицелия на стои-
ках галерей. Муравьи-листорезы выращивают грибные сады в подзем-
ных гнездах, где грибами питаются личинки. В гнездах рыжих лесных
муравьев всегда можно найти дрожжи рода Debaryomyces, которые
исчезают, если муравьи покидают муравейник. Мутуалистическими
можно считать и взаимоотношения некоторых микоризных грибов с
корневыми системами растений. Сеянцы сосны, например, очень плохо
растут, если на их корнях нет микоризы, а многие микоризные грибы,
в свою очередь, не встречаются вне корней.
Взаимоотношения отрицательного характера могут складываться
между разными организмами по типу паразитизма или антагонизма.
Паразитизм — полная или частичная зависимость развития
одного организма (паразита) от другого (хозяина). В зависимости от
степени проявления бывает паразитизм факультативный и облигатный.
Разные микроорганизмы — бактерии, дрожжи, грибы — паразитируют
па растениях, животных и на человеке, вызывая патологические изме-
нения, болезни. Примерами грибов-паразитов могут служить ржавчин-
196
ные и головневые гриоы, поражающие злаки; различные оактерпозы
растений вызываются почвенными бактериями. Известны энтомоиато-
генныс бактерии группы Bacillus cercus — В. lliuringlensis, паразити-
рующие на гусеницах сибирского шелкопряда. Примеров таких взаи-
моотношений можно привести очень много, но мало известно о пара-
зитических связях в условиях почвенной среды. Типичными паразита-
ми в почве являются бделловибриоиы. Bdellovibrio bacteriovorus актив-
но атакует клетки более крупных бактерий, внедряется в них и раз-
множается внутри клетки-хозяина. В клетках бактерий и актиномице-
тов размножаются фаги. Известны вирусы грибов и водорослей. Встре-
чаются случаи сложного паразитизма: микроорганизмы живут как
паразиты в теле почвенных клещей, которые, в свою очередь, парази-
тируют на корнях растений. Вскрытие сущности таких связей необ-
ходимо для разработки мер борьбы с паразитами, с одной стороны,
и биологических способов защиты растений от вредных насекомых —
с другой.
Антагонизм — часто встречающееся явление в микробном ми-
ре, которое выражается в подавлении роста одного организма другим.
Антагонизм может проявляться между членами одной или разных так-
сономических групп микроорганизмов. Можно выделить три типа про-
явления антагонистических взаимоотношений. Первый — конкуренция
за источники питания. Быстро растущие организмы интенсивнее по-
требляют субстрат и ограничивают тем самым рост друпгх, нуждаю-
шйхся~в тех же источниках питания. Второй — подавление роста за
счет образования токсических веществиеспецифпчсского действия, на-
пример оргагшч'С'скТГх кислот, H2S.h др. Третий — антагонизм, прояв-
ляющийся через образование специфических веществ — антибиотиков.
Отличительные свойства антибиотиков заключаются—в~то ЯД что все'
они действуют в низких концентрациях и избирательно. Антибиотики
имеют характерные «спектры действия» (набор чувствительных мик-
роорганизмов) и разные механизмы действия. Например, пенициллин —
антибиотик грибного происхождения — имеет широкий спектр чувст-
вительных культур из грам положительных бактерий, но он нс дейст-
вует на грамотрицательные бактерии. Это связано с его специфическим
механиз5юм подавления синтеза основного каркасного вещества кле-
точной стенки — пептидогликана муреина.
Спорным остается вопрос о значении антибиотиков как экологи-
ческого фактора, оказывающего влияние на формирование и функцио-
нирование сообществ непосредственно в естественной среде — в почве.
Дискуссия о том, образуются ли антибиотики в условиях почвы, за-
кончилась получением прямых доказательств синтеза этих веществ in
situ. Методами люминесцентной микроскопии было показано, что ан-
тибиотики образуются актцномл-Щ'-ьамш в почве при наличии питатель-
ного субстрата. По-видимому, они могут оказывать ограниченное влия-
ние на формирование локальных группировок микроорганизмов "в
микроочагах или в зонах скопления органического субстрата. Физио-
логическое значение антибиотических веществ для организмов, кото-
рые их продуцируют, все еще остается неясным. Являясь вторичными
197
метаболитами, они, возможно, играют регуляторную роль в процессах
роста и дифференциации популяции.
В результате проявления разного типа взаимоотношений между
живыми членами биогеоценозов создаются особые функциональные
единицы, которые получили название консорций. Учение о консор-
циях было создано в 50-е годы ботаником Л. Г. Раменским и зоологом
В. Н. Беклемишевым. Под консорцией в биогеоценологии понимают
совокупность популяций, жизнедеятельность которых определяется
центральным видом-эдификатором. Обычно это автотрофный орга-
низм — зеленое растение, которое образует ядро консорции. С ним
связаны разные гетеротрофные организмы, образующие вокруг центра
круги 1, 2, 3 и т. д. порядка (концентры) в зависимости от степени их
связи с эдификатором консорции. Консорты разных кругов последова-
тельно разрушают органические вещества, созданные центральным
видом и другими автотрофами, и используют заключенную в них энер-
гию. Они зависят от основного вида либо энергетически, либо топиче-
ски. Среди консортов различают следующие функциональные группы
(по Т. А. Работнову): биотрофы — питаются тканями живого расте-
ния; эккрисотрофы — используют выделения живого растения через-
корни, кору стволов, листья; сапротрофы — разлагают мертвые ткани
растения. В удаленных концентрах есть паразиты животных
и паразиты паразитов. Комплекс биотрофов составляют растительно-
ядные животные, микроорганизмы, живущие в тканях растения, поч-
венные членистоногие и черви, питающиеся живыми корнями.
К группе эккрисотрофов относятся микроорганизмы, живущие на
поверхности листьев и корней, в филлоплапе и ризоплане соответст-
венно, а также тли, использующие выделения листьев, микробные по-
пуляции нектарников, сокотечений деревьев, обитатели плодов и ягод,,
геммисферы (поверхности почек) и т. д.
Сапротрофиый комплекс организмов сосредоточен главным обра-
зом в подстилке и почве. Это разлагатели мертвого растительного опа-
да, корневого отпада, трупов животных, микробных клеток.
Рассмотрим подробнее взаимоотношения растения с микроорга-
низмами, живущими на его поверхности. Такие микроорганизмы обыч-
но называют э п и ф и т н ы м и. Эпифитные микроорганизмы ф и л л о-
сферы представлены в основном бактериями и дрожжами. Они не-
равномерно заселяют поверхность листовой пластинки, располагаясь
вокруг устьиц и вдоль проводящих сосудов листа (рис. 74). Одна из
характерных особенностей эпифитных микроорганизмов — наличие в
их клетках каротиноидных пигментов (отсюда и окраска их колоний
в желто-красные цвета), либо меланинов, защищающих клетки от ле-
тального фотоокисления. Другая особенность — выделение внеклеточ-
ных слизистых веществ полисахаридной природы, которые способст-
вуют прикреплению клетки к твердой поверхности и предохранению
от смыва дождевыми водами. Эпифиты выполняют функции «мусор-
щиков», питаясь выделениями листа. Колонизируя поверхность, они
препятствуют активному развитию патогенных микроорганизмов и за-
щищают растение от инфекции. Некоторые из обычных эпифитов сами
198
являются потенциальными патогенами и при ослаблении растения мо-
гут на нем паразитировать.
Корневые микроорганизмы разделяются на ризоплановые, клубень-
ковые-и микоризообразователи. На поверхности корня, в ризопла-
ие, преобладают неспоровые грамотрица-
тельиые бактерии. Многие из них обла-
дают способностью фиксировать азот и про-
водить денитрификацию. Корпи выделяют
по меньшей мере 10 разных сахаров, боль-
ше всего глюкозы и фруктозы, а также
аминокислоты, органические кислоты, фи-
зиологически активные соединения. По-
верхность корпя покрывается слизистыми
выделениями, получившими название му-
цигеля. Все это — хорошая пища для ми-
кроорганизмов. Поэтому в ризоплаие чис-
ленность микроорганизмов в тысячи раз
большая, чем в почве. Микроорганизмы об-
разуют на поверхности корня микроколо-
нии, а в некоторых местах — почти сплош-
ные пленки , (рис. 75).
Клубеньковые бактерии живут
«свободно в почве, в ризосфере, в ризопла-
ве, а на бобовых проникают через корне-
Рис. 74. Рост микроор-
ганизмов на отпечатке
листа
Рис. 75. Бактерии и дрожжи на поверхности корня
Сканирующий электронный микроскоп, фото В. С. Гузева
вые волоски в клетки корня и вызывают их разрастание с образова-
нием клубеньков (рис. 76). Ризоплановые бактерии, ассоциированные
с корнем, и клубеньковые бактерии оказывают сильное влияние на
азотный баланс растения.
199
Грибы образуют па корнях растений обрастания, называемые ми-
коризой. О том, что некоторые грибы растут только под определен-
ными породами деревьев, писал еще С. Т. Аксаков. В конце прошлого
века впервые были выделены Ф. М. Каменским грибы с корней подъ-
ельника, а немецкий ученый А. В. Франк предложил термин «мпкори-
Рис. 76. Клубеньки на корнях гороха
Рис. 77. .Микориза
Слева — эктотрофная, справа — эндо-
трофная
за» — грибокорепь. Грибы по-разно-
му вступают в связь с корнем. Гиме-
иомицсты родов Boletus, Russula,
Amanita и др. образуют эктотроф-
ную микоризу на корнях многих де-
ревьев (сосны, ели, березы, дуба) и
кустарников. Внешне она имеет вид
вилочковидных или коралловидных
обрастаний на корне. Гифы грибов
проникают в коровой слой, где обра-
зуют так, называемую сеть Гартига
(рис. 77). Корневые волоски отми-
рают и замещаются грибными гифа-
ми. Э к т о э и д о т р о ф н а я микориза
образует поверхностный чехол с отхо-
дящими наружу гифами, а часть гиф
проникает внутрь тканей корня, но не
заходит в центральный цилиндр и в меристему. Этот тип микоризы
распространен у осины, некоторых кустарников и трав.
Эндотрофная микориза не меняет внешнего вида корня, на
нем сохраняются корневые волоски. Сеть Гартига не образуется, а
200
мицелий формирует в клетках коровой паренхимы клубки и вздутия,
которые могут перевариваться растением. Такую микоризу образуют
низшие грибы (роды Endogone, Pythium), и опа носит еще название
фикомпцетиой микоризы. Эта микориза наиболее распространена.
Микоризу имеют почти все растения: деревья, кустарники, травы.
Благодаря микоризе корни лучше поглощают из почвы влагу и мине-
ральные элементы питания. Особенно важна роль микоризы в снабже-
нии растений доступными формами фосфора. Под покровом микориз-
ных грибов па корне поселяются азотфиксирующие бактерии, поэтому
раньше считали, что микориза снабжает растение и связанным азотом.
Это делают бактерии, живущие в симбиозе с микоризными грибами.
Микроорганизмы не только вступают в непосредственный контакт
с корнем, но и, обитая в зоне 'его действия, могут так или иначе влиять
на рост и развитие растений. Та часть почвенной среды, которая при-
мыкает к корню п испытывает воздействие корневых выделений, на-
зывается ризосферой. В ризосфере микроорганизмы более обиль-
ны, чем в зоне вис корпя, что было замечено еще в начале нашего
века. Было введено понятие «ризосферного эффекта», сущность кото-
рого заключается в воздействии корня на увеличение численности мик-
роорганизмов в ризосфере (Р) сравнительно с контролем (К). Ризо-
сферный эффект (отношение Р : К) увеличивается с глубиной, где чис-
ленность микроорганизмов в почве резко падает, а в ризосфере оста-
ется на высоком уровне, поэтому соотношение Р : К возрастает. Ризо-
сферный эффект в дерново-подзолистой почве под пшеницей иа глу-
бине 40—50 см может быть равным 2000. По срокам вегетации растений
состав микроорганизмов в ризосфере меняется. К концу вегетации в
ризосфере обычно резко увеличивается количество целлюлозоразруша-
I о щ 11 х микроорганизмов.
БИОЦЕНОЗЫ ЗОНАЛЬНЫХ ТИПОВ ПОЧВ СССР
В. В. Докучаев разработал учение о почвах как географически
зависимых телах природы, распределение которых на земной поверх-
ности носит зональный характер. В классификации почв, созданной
Докучаевым, существенное значение получили признаки, в которых
отражено влияние растительного покрова на почву. До Докучаева
все классификации почв разрабатывались без учета биологического
фактора, без учета особенностей растительного и животного мира и
почв. Докучаев придавал также большое значение и микробному воз-
действию на почву. Взгляды Докучаева па почву как систему косных
н живых элементов разделял и известный почвовед П. А. Костычев,
который в работе о черноземной области России писал, что в вопросе
о черноземе геология имеет второстепенное значение и формирование
чернозема — это вопрос географии и физиологии высших и низших
растений. П. А. Костычев впервые рассматривал гумус как продукт
жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Он писал, что пере-
гной представляет собой не мертвую массу, а постоянно действующую,
в которой идут процессы не только разложения, но и синтеза сложных
201
органических соединений. Костычев считал, что под влиянием различ-
ных растительных формаций даже в одних и тех же климатических
условиях нередко образуются неодинаковые по своим свойствам почвы.
В. Р. Вильямс, вводя в характеристику почвы главное ее свойство —
плодородие, способность производить урожай, показал, что
плодородие разных почв зависит от живой части почвы. Он пытался
сформулировать положение о группировках микроорганизмов, свойст-
венных определенным растительным сообществам, и, следовательно,
почвенным типам. Однако недостаточность сведений в почвенной мик-
робиологии того времени нс позволила правильно отразить характер-
ные черты этих группировок и привела к созданию лишь умозритель-
ной схемы, которая, однако, сыграла свою роль как толчок к новым
поискам и исследованиям в этом направлении.
Если зональные типы почв соответствуют распределению основных
растительных формаций на земной поверхности, а с растениями тесно
связан и животный мир почв, то относительно микробных ассоциаций
в разных почвах и их специфичности вопрос представляется значитель-
но более сложным. Впервые он был поставлен с широкой эксперимен-
тальной проверкой С. П. Костычевым в 20-е годы. Он предполагал,
что особенности почвенных типов должны в первую очередь отражать-
ся в специфичности микробных группировок, в их физиологической
активности. Это направление многие годы разрабатывается Е. Н. Ми-
шустиным и его учениками. Особое внимание в работах Мишустина
уделяется не столько определению «валового» состава микроорганиз-
мов в почвах, сколько выявлению отдельных видов и их группировок,
которые могли бы характеризовать состояние органического вещества
в почве, напряженность минерализациопных процессов, образование и
разложение гумуса.
Наиболее значительные успехи достигнуты при изучении распро-
странения споровых форм бактерий и микроскопических почвенных
грибов (табл. 6).
Если при микробиологическом анализе почв ограничиваться выяв-
лением крупных таксономических или физиологических групп бакте-
рий, актииомицетов или грибов, то разных их представителей можно
обнаружить почти в любой почве. Однако детальный анализ видового
состава и особенно динамики «поведения» (флуктуаций численности,
перехода от активной жизни в состояние анабиоза и т. д.) отдельных
популяций, определение частоты встречаемости представителей кон-
кретного вида, а также другие показатели, касающиеся не группы в
целом (например, споровых бактерий, нитрификаторов, дрожжей и т. д.),
а отдельных видов, свидетельствует о том, что в каждом природном
местообитании существует специфический комплекс организмов-доми-
наптов, характерных для данных условий. Закономерности зонального
распределения растений, животных и микроорганизмов, накопленные
к настоящему времени, позволяют выделить особенности почвенной
биоты в связи с географическим распределением почв на земной по-
верхности. Рассмотрим для примера некоторые основные типы почво-
образования па территории главным образом европейской части СССР
202
Таблица 6
Характерные претставители микробного комплекса в целинных почвах
разных природных зон
Почвы Бациллы Мпкромнцеты
мицелиальные грибы дрожжевые грибы
Тундровые £?. agglomeratus В. asterosporus виды серин Penicilliuni nigricans Chrysosporiutn pannorum Nucor spp. Cryplococcus rnagnus Leucosporiditun spp.
Подзолистые В. v: г galas В. cercus В. mycoides В. agglomeratus Morti er el la ratnanniana Penicilliutn thomii P. daleae P. frequentens Candida podzolica Cryptococcus terricolus Lipomyces starkeyi
Черноземы В. idosus В. megaterium В. cereus В. brevis P. tardum P. janthinellutn P. vermiculatum Aspergillus ochraceus Lipomyces tetrasporus
Каштановые В. idosus В. megaterium В. mesentericus В. brevis Aspergillus alliaccus P. purpurogenum P. li lad num Lipomyces tetrasporus
Сероземы В. brevis В. idosus В. mesentericus В. megaterium Aspergillus flavipes A. fumigatus A. ter reus A. ustus PetvcilVum spp. секции asymtnctrica Cryptococcus albidus
Красноземы В. mycoides В. cereus В. mesentericus В. agglomeratus P. daleae P. frequentens P. chrysogcnum Lipomyces kononenkoae L. starkeyi Candida podzolica
Засоленные и солонцеватые В. gasificons малый спектр видов с пре- обладанием Aspergillus spp. отсутствуют
п прилегающих к ней с юга областей Кавказа и Средней Азии в плайе
сравнения показателей их биологии.
К р и о м о р ф и ы е почвы (мерзлотные) образуются в условиях
влияния вечной или многолетней мерзлоты. Они распространены в
тундровой и северотаежной природных зонах. Оттаивание нх проис-
ходит па небольшую глубину и занимает короткий период времени.
203
Из-за краткости периода вегетации, общего недостатка тепла, наличия
вечной мерзлоты биологическая продуктивность низка, растительный
покров разрежен, часто не сомкнут. Общая фитомасса в тундре со-
ставляет не более 50 т/га с ежегодным приростом около 20 ц/га. При
этом надземная фитомасса превышает подземную. В фитоценозах ве-
лика роль мхов и лишайников. Лишайники очень разнообразны и пред-
ставлены сотнями видов различных жизненных форм. Пионерами за-
селения обнаженного грунта выступают водоросли и накипные ли-
шайники. Из водорослей преобладают синезеленые и зеленые па
поверхности и одноклеточные зеленые — в подповерхностных слоях.
Для всех типов почв тундр характерно почти полное отсутствие диа-
томовых. Основной вид в корочках — Nosloc commune. Водоросли
служат важным пищевым резервом для беспозвоночных животных
тундр.
Почвенные беспозвоночные в тундре сосредоточены в поверхно-
стном 5-сантиметровом слое, а в оголенных грунтах пятнистых тундр
всего в слое 2 см. В результате такой концентрации животных в гу-
мусовом горизонте их масса здесь в единице объема оказывается даже
выше, чем в более южных почвах, из чего следует, что роль почвен-
ных беспозвоночных в почвообразовательных процессах в тундре в
локальных условиях может быть весьма существенной. Весь комплекс
микроартропод носит «коллсмбоидный» характер, так как 1/4 часть
суммарной зоомассы и потребляемого животными кислорода прихо-
дится на долю коллембол. Много в почвах тундр нематод (до 5 млн/м2)
и энхптреид (более 1000 экз/м2). Последние достигают здесь необык-
новенно крупных размеров. Из других беспозвоночных в криогенных
почвах много личинок двукрылых (в том числе типулпд). Численность
их в почвенном населении северной тайги местами достигает несколь-
ких сотен на 1 м2. Фауна почвенных клещей в тундре необычайно бед-
на. Среди них есть, однако, и типично арктические виды, приспособ-
ленные к обитанию на поверхности 'оголенных грунтов. Дождевые чер-
ви немногочисленны, в среднем их пе более 10 экз/м2 в зональных
типах тундр и северной тайги. Они представлены поверхностпо-обита-
ющими видами, причем их видовой состав крайне беден. В тундре
встречаются всего два вида — Dendrobaena octaedra в европейской
части и Eisenia nordenskioldi — в азиатской. Оба эти вида широко
распространены и за пределами тундр, а эндемиков здесь нет. В та-
ежных лесах кроме указанных видов из собственно-почвенных обычен
только Ociolasiiun lacteum, способный переносить сильное переувлаж-
нение жесткими грунтовыми водами.
Из позвоночных животных для тундр и лесотундр особенно харак-
терны лемминги — грызуны семейства полевковых. Некоторые их ви-
ды питаются мхами, лишайниками и грибами. Экскременты этих жи-
вотных заселяются своеобразными ассоциациями микроорганизмов и
макромицетов. Из шляпочных грибов здесь развивается навозник Сор-
rinus martinii. Некоторые виды макромицетов образуют плодовые тела
на мхах. Общее разнообразие шляпочных грибов в тундрах неболь-
шое, и у северной границы они отличаются мслкоплодностыо. Числеп-
204
ность и разнообразие грибов резко возрастают при появлении древес-
ных пород.
Слабое развитие профиля криогенных почв, которые плохо аэри-
руются и прогреваются, неглубокое проникновение корней в почвен-
ную толщу и низкая зольность фитомассы — все это отражается на
микробном составе этих почв. В нем почти отсутствуют целлюлозораз-
рушающие микроорганизмы и бедно представлены все группы бакте-
рий, участвующих в круговороте азота. Преобладают олиготрофы и
олпгонитрофилы. Ведущей группой выступают коринеформные бакте-
рии. Актипомицеты немногочисленны. Грибы представлены преимуще-
ственно обильным темноцветным медленно растущим мицелием без
спороношений. Споровые бактерии, характерные для поздних стадий
разложения органических веществ, почти полностью отсутствуют. Сре-
ди дрожжей имеется ограниченный набор таксонов и полное выпаде-
ние видов из аскомицетов. Отсутствуют представители автохтонной
группировки почвенных дрожжей — липомицетов. Резко доминируют
немногие виды, главным образом рода Cryplococcus, которые преоб-
ладают лишь в отдельных биотопах — скоплениях мхов, ветоши, ос-
татков растений. Численность и активность микроорганизмов бывает
значительной лишь кратковременно, в период. разгара вегетации рас-
тений, и быстро затухает. Поэтому общая продукция бактериальной
биомассы довольно низка.
В связи со слабой активностью микроорганизмов процессы гуми-
фикации в криогенных почвах замедлены, идет накопление торфа.
В условиях преобладания осадков над испарением и плохим дренажем
из-за наличия мерзлотного горизонта в качестве водоупора эти почвы
часто сильно переувлажнены. Создаются анаэробные условия. Если
есть резерв глинистых минералов, то идет оглеепие. В превращениях
железа участвуют неспецифические железобактерии из группы артро-
бактеров и Metallogenium.
Кислые сиаллитные почвы формируются под лесами. Они
характеризуются образованием подстилки из лесного опада и перера-
боткой отмирающих частей растений на поверхности почвы.
Интенсивность биологического круговорота увеличивается от под-
золистых почв к дерново-подзолистым и серым лесным. Запасы фито-
массы в тайге — около 250 т/га, в широколиственных лесах — 400 т/га;
прирост 70 и 90 ц/га соответственно. Под пологом леса и особенно при
наличии густого травяного покрова роль микроскопических автотроф-
ных компонентов ценоза — водорослей — в создании органического ве-
щества в этих почвах невелика. Их биомасса составляет до 20 кг/га
при значительном видовом разнообразии: до 150 видов в подзолистых
и более 300 в дерново-подзолистых и серых лесных почвах. Все они
сосредоточены в гумусовом горизонте. На первом месте стоят зеленые
одноклеточные, затем желтозеленые и синезеленые. Диатомовых почти
нет в подзолистых и довольно много в серых лесных почвах.
Переработка лесного опада идет с активным участием почвенной
фауны, особенно в серых лесных почвах, где суммарная зоомасса в
4 раза выше, чем в подзолистых, а именно 200 и 800 кг/га. Численность
205
дождевых червей увеличивается от подзолистых к серым лесным поч-
вам и составляет в дубравах 200, а в липняках более 300 экз/м2. К по-
верхностно-жпвущим видам добавляются почвенно-подстилочные виды
Octolasium lacteum во влажных дерново-подзолистых почвах и Liun-
brictis rubellus, питающийся опадом лиственных пород — в серых лес-
ных почвах под широколиственными лесами. Доминирует в последних
собственно-почвенный вид Nicodrilus caliginosus. С деятельностью дож-
девых червей в этих почвах связаны начальные этапы разложения опа-
да. В кислых сиаллитных почвах под лиственными лесами высока чис-
ленность и других крупных беспозвоночных-сапрофагов. Особенно мно-
го личинок двукрылых: до нескольких сотен на 1 м2. Такие предста-
вители сапрофагов, как кивсяки, мокрицы,' энхитреиды, оставляют па
поверхности почвы много экскрементов и подвергают опад значитель-
ной переработке еще до вовлечения его в почву.
В отличие от тундровых почв, в лесных почвах наибольшая чис-
ленность панцирных клещей — орибатид, особенно под хвойными ле-
сами. Микрофауна имеет здесь «орнбатоидный» облик. Численность
клешей составляет в среднем 60 000 экз/м2 при биомассе 4—6 г/м2 жи-
вого веса. Клещи участвуют в разложении хвоинок и других элементов
растительного опада.
Из микроорганизмов в лесных почвах особенно многочисленны и
активны грибы. Максимальное количество здесь и макромицетов, со-
став которых резко меняется в зависимости от лесообразующих пород
деревьев. Суммарная биомасса грибного мицелия составляет 3,5—10%
сухой массы подстилки и в десятки раз превышает бактериальную.
Большое разнообразие и дрожжевых грибов. В их комплекс входят
такие характерные для подзолистых почв виды, как Candida podzolica,
Cryptococcus terricolus, Lipomyces starkeyi. Среди микромицетов ти-
пичны виды Morlierella ramanniana, Penicillium daleae, P. thomii —-
индикаторы на подзолистые почвы. Ёиды Trichoderma характерны для
подстилок лесных почв. Образуемые грибами в процессе разложения
подстилки органические кислоты воздействуют па минералы почвооб-
разующей породы, вызывая их разрушение. Накопление гидроокисей
железа, алюминия и марганца в определенных горизонтах подзолистых
почв связано с деятельностью особого комплекса микроорганизмов
(Аристовская, 1965, 1980). Железомарганцевые бактерии ответственны
за формирование ортштейнов и ортштейновых плит в этих почвах.
Разложение органо-минеральных соединений гумусовых веществ с по-
луторными окислами микроорганизмами-гетеротрофами играет роль в
образовании иллювиальных горизонтов и оказывает влияние на ско-
рость развития подзолистого горизонта. При избыточном увлажнении
и систематическом недостатке кислорода в нижней части профиля
идут активные восстановительные процессы с участием маслянокислых
бактерий рода Clostridium. Происходит восстановление окисного же-
леза, что связано с возникновением глеевого горизонта. Из бактерий,
участвующих в круговороте азота, в этих почвах преобладают олиго-
нитрофилы. Азотобактера в кислых почвах пет. D фиксации азота уча-
ствуют сложные комплексы бактерий с грибами, главным образом в
206
подстилке и верхнем гумусовом горизонте. Процесс нитрификации по-
давлен. Среди аммонифицирующих бактерий наиболее типичны для
этих почв споровые из группы Bacillus mycoides — В. cereus. Итак, для
кислых сиаллитиых почв под лесными ассоциациями характерно боль-
шое участие в процессах разложения опада подстилочных беспозво-
ночных-сапрофагов и грибов. Среди беспозвоночных преобладают дож-
девые черви и клещи. В минеральных горизонтах много бактерий, уча-
ствующих в превращениях железа и марганца.
Нейтральные г у м у с о - с и а л л и т н ы е почвы представлены
в зональном плане черноземами. Еще В В. Докучаев писал, что
чернозем формируется только под степной растительностью и никогда
не образуется под лесом. Годовой прирост растительности в луговых
степях максимальный и составляет около 140 н/га, в сухих степях —
100 ц/га, а общий запас фитомассы невелик — менее 50 т/га с явным
преобладанием подземной массы вад надземной. Отсюда и особенности
биологического круговорота. При сосредоточении 80% всей биомассы
в самой почве, а не на поверхности, как в лесах, разложение органи-
ческих веществ идет в почвенной толще. На поверхности образуется
степной войлок, который быстро минерализуется и почти не накапли-
вается. Травянистая растительность вовлекает в биологический круго-
ворот щелочноземельные элементы. Создастся насыщенный нейтраль-
ный гумус, в котором преобладают гумусовые кислоты, связанные с
кальцием. Зернистая структура черноземов обеспечивает благоприят-
ные физические свойства.
В этих условиях микробиологическая деятельность в большой мерс
зависит от влаги. Летом в засушливый период она тормозится, при нис-
ходящем токе воды весной активность микроорганизмов в черноземе
очень высока.
Характерной чертой альгофлоры разнотравно-злаковых степей на
мощных черноземах является преобладание видов-убиквистов из одно-
клеточных и колониальных зеленых и жслтозелспых водорослей. Они
развиваются в толще почвы. Под мощным покровом травянистой рас-
тительности в луговых степях поверхностных разрастаний не образу-
ется, в сухих степях развивается ностоко-сцитопемовый ценоз, обра-
зующий водорослевые корочки. Общая биомасса водорослей в черно-
земах составляет в среднем около 190 кг/га. До 60% этой биомассы
занимают диатомеи.
Животный мир черноземов характеризуется максимальной ярус-
ной дифференцированностью. На целинных участках значительна роль
крупных позвоночных животных — травоядных и грызунов, хотя их
масса от общей зоомассы не превышает 1%. Опыт с заповедными уча-
стками в Хомутовской степи показал, что без участия крупных живот-
ных происходит накопление мертвого растительного вещества более
370 г/м2, а в степи с выпасом — всего 2,4 г/м2. Следовательно, траво-
ядные животные поддерживают равновесие между созданием органи-
ческого вещества и его разложением. Общая зоомасса в типичных сте-
пях составляет около 200 кг/га, а в луговых степях — около 300 кг/га,
т. е. она олизка к таежным биоценозам, но значительно уступает ши-
207
роколиственным лесам. Из всех зональных сообществ животных в лу-
говых .степях максимальная масса обитателей травостоя — до 40 кг/га.
В почве типчаково-ковыльных степей мало дождевых червей и пред-
ставлены они только одним видом Nicodriltis roseus. В луговых степях
па плакорах этому виду сопутствует Octolasiuni transpandum.
Дождевые черви проникают в черноземах на большую глубину —
до 2 м. С их деятельностью связывают вынос карбонатов на поверх-
ность. Панцирных клещей в почвах степей значительно меньше, чем
под лесами. В типичных степях их численность составляет всего 4—
6 тыс/м2, т. е. почти на порядок ниже, чем в лесных почвах. Среди
простейших мало раковинных корненожек.
В степной зоне очень характерный состав макромицетов, резко
отличающийся от набора шляпочных грибов в зоне лесов. Здесь сов-
сем нет грибов-микоризообразователей, образующих микоризу с дре-
весными породами. Распространены виды с мелкими плодовыми те-
лами. Наиболее часты шампиньоны, гриб-зонтик, луговой опенок. По-
следний образует хорошо выраженные «ведьмины кольца». Мицелий
шампиньонов хорошо переносит засуху и плодоносит не каждый год.
Есть трутовики, паразитирующие на степных злаках, которые разви-
вают плодовые тела у основания стеблей.
Численность почвенных микроорганизмов высокая по всему про-
филю без резких перепадов с глубиной. Биомасса бактерий равна или
превышает грибную. Azotobacter chroococctirn встречается только на
пониженных участках. Доминирующие виды бацилл — В. subtilis,
В. mesentericus. Среди а&тиномицетов много пигментных форм. Спе-
цифичен состав микромицетов: преобладают виды пенициллов (Р. tar-
dum, Р. janihinelliim, Р. vermiculatum), которые не встречаются или
очень редки в лесных почвах. Из дрожжей для черноземов характерно
распространение по всему профилю Lipomyces tetrasporus и почти пол-
ное отсутствие других видов в почвенных горизонтах при очень обиль-
ной обсемепенности ими живых и особенно отмирающих растений.
Каштановые почвы формируются в условиях нарастающей
аридпости в зоне сухих степей, переходящих на юге в полупустыни и
пустыни. Осадки сезонные (зима, весна), водный режим непрерывного
типа. Растительный покров разрежен, он состоит из засухоустойчивых
трав (типчак, ковыль) или галофитов. Их биомасса составляет около
100 ц/га, при этом 80—90% — подземная часть. Растения сухой степи
вовлекают много элементов в биологический круговорот и характери-
зуются поэтому высокой зольностью. Низшие автотрофные компо-
ненты — водоросли — -образуют корочки на поверхности почвы из хо-
рошо сформированного устойчивого сообщества синезеленых с диато-
мовыми.
От темно-каштановых почв к каштановым и серо-бурым пустын-
ным прослеживается ряд, для которого заметно сокращение числа ви-
дов-доминаптов, снижение численности и уменьшение доли диатомей
с одновременным увеличением пропорции членов пор. Oscillatoriales,
особенно Microcoleus vaginatus.
В аридных районах среди животного населения существенна роль
208
фитофагов, в отличие от гумндпых, где основу комплекса животных
составляют сапрофаги. Если в лесах основная часть фитофагов (ли-
чинки щелкунов, долгоносиков, листоедов) связана с надпочвенными
ярусами, то в степях резко увеличивается заселенность ими почвы.
В плакорных сообществах сухих степей и полупустынь почти полно-
стью исчезают сапрофаги, типичные для почвенной фауны лесов, а
остаются лишь некоторые эфемерные личиночные формы. Общая зоо-
масса уменьшается. Заметны миграции животных по почвенному про-
филю в зависимости от влажности. Часто максимальная численность
отмечается не в верхнем горизонте, а в более глубоких слоях почвы,
куда животные мигрируют при иссушении. Дождевые черви встреча-
ются редко только в темно-каштановых почвах, а в более южных райо-
нах их уже нет. Значительно сокращается фауна клещей. Численность
орибатид составляет менее 5 тыс./м2, и они не приурочены, как в ле-
сах, к самым верхним горизонтам.
Микрофлора каштановых почв характеризуется специфической
структурой. Большую долю составляют актиномицеты и споровые бак-
терии. Последние представлены здесь «южными» формами: В. inesen-
lericus, В. megaterium, В. idosus. В составе микромицетов наряду с
широко распространенными представителями псницнллов есть харак-
терные виды — Р. purpurogetium, Р. lilacinum, а также много видов
рота Aspergillus. Разложение целлюлозы идет активно во влажные
периоды, и в нем участвуют' наряду с грибами бактерии и актиноми-
цеты. В каштановых почвах много нитрифицирующих бактерий. Azo-
tobcicter chroococcum встречается только под защитой растений — в их
прикорневой зоне.
Сероземы распространены в субтропическом сухом поясе и
занимают в основном предгорные равнины полупустынной зоны. Они
никогда не промерзают, а летом интенсивно прогреваются. Водный
режим их непромывной. Вспышка жизни бывает ранней весной, когда
выпадают осадки, не промывающие почву. Активная вегетация зани-
мает короткий период. Растительность преимущественно эфемеровая,
полупустынная. Запасы фитомассы невелики — не более 50 ц/га, из
них до 90% составляют подземные органы растений. Очень большая
часть биомассы (около 80%) ежегодно отмирает и идет на- создание
органического вещества. При этом наблюдается быстрая минерали-
зация благодаря высокой активности почвенной микрофлоры, и на-
копления напочвенных запасов фитомассы в виде войлока и подстилки
не происходит. Это почвы высокой бпогепностн. Для этих почв харак-
терны эфемерные, но иногда мощные разрастания водорослей. Альго-
группировки полупустынной и пустынной зон имеют небольшое видо-
вое разнообразие с доминированием синезеленых водорослей из Oscil-
latorialcs (особенно рода Phormidium) и одноклеточных зеленых.
Встречаются эфемерные альгосинузии из зеленых, желтозеленых и
диатомовых в зимне-весенний период. Характерно их резкое изменение
в группировках в зависимости от условий и соответственно микрокли-
мата. Численность также варьирует в широких пределах: по сезонам
она меняется от почти полного отсутствия до десятков тысяч клеток
209
па 1 г. Такие резкие различия вообще характерны для зон с нараста-
нием пессимума климатических условий при продвижении па север и
на юг от полосы умеренного климата.
Животный мир полупустынь довольно богат, хотя общая зоомасса
невелика — менее 50 кг/га. Среди почвенной фауны значительную до-
лю составляют крупные позвоночные животные, особенно суслики, ко-
торые иногда резко меняют весь ландшафт полупустыни в результате
своей активной роющей деятельности. Много моллюсков. Животные
мигрируют по горизонтам, уходя в жаркие периоды в глубь почвы.
Дождевых червей здесь нет. 'Панцирные клеши — орибатиды — весьма
немногочисленны, около 0,5 тыс. экз/м2, а под зарослями фисташки
их численность резко возрастает до 5—6 тыс. экз/м2. Протистофауна
сероземов бедна, обнаруживаются только амебы и в небольшой чис-
ленности. В основном они развиваются в ризосфере в весенний период.
Уже в первых работах по микробиологии сероземов, выполненных в
нашей стране в 20-е годы, было показано, что они характеризуются
высокой микробиологической активностью. Длительный период высо-
ких температур и нейтральная или слабощелочная реакция сероземов
благоприятны для деятельности бактерий. Основной лимитирующий
фактор — дефицит влаги. Поэтому в целинных сероземах период ин-
тенсивной деятельности микроорганизмов ограничен весенним сезоном.
В этих почвах обильно представлены актипомицеты и спорообразую-
щие бактерии, характерные для почв с высоким напряжением мпнера-
лнзационных процессов. Их видовой состав разнообразен, но домини-
руют «южные» виды — В. idosus, В. niesentericus, В. megalerium.
В большой численности в этих почвах представлены тарификаторы
и денитрификаторы. Азотобактера нет в целинных сероземах пли же
он обнаруживается лишь в ризосфере растений. Целлюлоза интенсивно
разрушается в аэробных условиях преимущественно бактериями, мик-
собактсриями и актииомицетами. В составе микромицетов, которые в
сероземах немногочисленны, до 40% занимают виды рода Aspergillus,
характерные для южных почв аридных районов. Наиболее типичны
виды A. flavipes, A. fiimigaitis, A. ustus. Пеиициллы представлены ви-
дами секции Asymmctrica. Типичные для многих почв дрожжи рода
Lipomyces в целинных сероземах не встречаются.
Пустыни каменистые, песчаные и глинистые разли-
чаются по своей биогенности. Самые бедные из них — каменистые.
Значительную роль в почвообразовании играют здесь лишайники и
водоросли. На камнях образуется «пустынный загар» — темные пленки
окпелов железа и марганца в результате микробной деятельности. Выс-
шая растительность чрезвычайно бедна и разрежена. Численность мик-
роорганизмов низка, ио может достигать значительных величин в мел-
коземе под лишайниками. Преобладают среди них коринеформные
бактерии, много пигментных актиномицетов и иокардий. Дрожжи редки,
в основном это представители р. Cryplococcus. Видовой состав грибов
исключительно однообразен: 2 рода сем. Dematiaceac —- темпоокра-
шенпые Cladosporium, И or mod endrum, реже — Acrotheciuni, Stemphi-
liuni. Даже пенпциллы редки. Это виды Р. not alum, Р. cyclopium. Во
210
многих образцах грибы вообще нельзя обнаружить. Водоросли обра-
зуют эфемерные, но местами очень мощные разрастания.
В песчаных и глинистых пустынях жизнь более активна. И здесь
в формировании первичной продукции органических веществ значи-
тельна роль водорослей и напочвенных лишайников — накипных и ко-
чующих. В песчаных пустынях и межбарханпых или межгривпых по-
нижениях развивается травянистая и кустарниковая растительность.
Из деревьев — саксаул и пустынная акация. В растительных сообще-
ствах пустынных областей выявлено около 600 видов водорослей, среди
которых сииезеленыс составляют от 50 до 70% • Зеленые занимают 20—
25% альгофлоры, на долю желтозеленых, диатомовых и эвгленовых
приходится 5—7%. Чем ариднее территория, тем больше в альгофлоре
синезеленых. Первостепенное значение имеют представители пор. Oscil-
latoriales, на втором месте — пор. Nostocales, па третьем и четвертом
месте — одноклеточные зеленые пор. Chlorococcales и синезеленые пор.
Chroococcales. В составе разреженных очень бедных растительных со-
обществ пустынь, где покрытие едва достигает 3—9%, водорослевые
ценозы формируют самостоятельные группировки и оказывают суще-
ственное влияние на почвообразовательный процесс. Их биомасса ко-
леблется от 30—40 до 200 кг/га. В отдельных особенно благоприятных
условиях, например в глинистых пустынях на такырах и такыровидных
почвах, получающих дополнительную влагу за счет поверхностного
стока в связи с их расположением на пониженных участках, биомасса
водорослей может достигать 0,5—0,7 т/га.
Из макромицетов, встречающихся в пустынях, известно не более
50 видов, ио они очень разнообразны экологически. Характерно пре-
обладание грибов с замкнутыми, часто подземными, плодовыми телами.
На юге Туркмении, например, известен съедобный пустынный трю-
фель — Terfezia Leonis. Широко используемый в пищу степной «белый
гриб» — Pleurolus eringii образует плодовые тела в основании отмер-
ших стеблей зонтичных растений, таких как разные виды ферул. Не-
которые виды макромицетов приурочены к глинистым пустыням (Bat-
Lareae phalloides), а есть песколюбивые, плодовые тела которых погру-
жены в песок (Septularia arenicola). На такырах весной можно видеть,
как корка иа поверхности пробивается плодовыми телами шампиньо-
на Agaricus bernardii. Грибы пустыни — световыносливые, скороспе-
лые, в основном мелкошляпочные. Их можно отнести к пустынным
эфемерам.
Общая зоомасса в пустынях низка, в среднем 2,2 кг/га. Дождевых
червей в пустынях нет. Их роль здесь выполняют мокрицы рода Hemi-
lepistus. Местами вся почва бывает изрешечена их норками. Пустын-
ные мокрицы среди членистоногих — одни из самых многочисленных
обитателей лёссовых пустынь. Это виды Н. rhinoceros (мокрица рога-
тая) и Н. crenulatus elegans (мокрица элегантная). Живут они в поч-
вах, где грунтовые воды залегают не очень глубоко. Мокрицы образу-
ют большие колонии, вокруг которых скапливается много выбросов,
состоящих из пережеванной почвы с небольшой примесью переварен-
ных частиц растений. На 1 м2 иногда приходится до 40 норок мокриц,
211
а на 1 га 20—800 тыс. мокриц, или около 25 кг зоомассы. В течение
лета на 1 га площади, занятой мокрицами, на поверхность выносится
около 0,5 т почвы и до 1 т экскрементов с большим содержанием гу-
муса. Из других почвенных беспозвоночных в пустынях велика роль
муравьев и термитов. Муравьи-бегунки, черный и песчаный из рода
Cataglyphis питаются трупами других насекомых, выполняя функции
санитаров. В целом состав животных в пустынях очень дифференци-
рован: более половины — сапрофаги, 1/3 — фитофаги и мало — хищ-
ников. В микрофауне низка доля панцирных клещей. Их численность
не превышает 0,5 тыс. экз/м2.
Микрофлора сери-бурых пустынных почв и такыров приурочена
к поверхностным горизонтам. В составе почвенных микроорганизмов
преобладают кроме водорослей бактерии и актиномицеты. Численность
и биомасса грибов незначительна. Основную массу бактерий состав-
ляют неспоровые и коринеформные виды. Азотобактер отсутствует.
Кислые ферсиаллитные почвы влажных субтропи-
ков представлены на территории СССР красноземами и желтоземами.
Красноземы в СССР встречаются только в Грузии на низких
предгорьях с пологими склонами в зоне средиземноморского климата
с сухим жарким летом и теплой дождливой зимой. Водный режим —
промывной,, продукты выветривания, активно образующиеся в кислой
среде, выносятся в условиях хорошего дренажа. Содержание гумуса
в А! может быть очень высоким, до 10—'12%. Гумус очень кислый,
фульватиый. Красноземы — кислые почвы, рНка 4—4,5. Состав биоты
этих почв во многих отношениях сходен с таковым дерново-подзоли-
стых почв. Облик микроартропод носит «орибатоидный» характер, здесь
самая высокая продуктивность орибатид — до 13 г/м2 в год — бла-
годаря тому, что клещи дают несколько поколений в год. Численность
их в среднем находится на уровне 10—20 тыс. экз/м2, т. е. в 2—3 раза
ниже, чем в бореальных лесах. Микробный состав красноземов Грузии
сочетает черты, характерные для северных подзолистых почв и для
южных буроземов. В группировке споровых бактерий в верхнем слое
почвы до 20 см приблизительно равные доли составляют группировки
В. cereus + В. mycoides, В. mesentericus с В. megaterium. Основная мас-
са бактерий, как и в дерново-подзолистых почвах, представлена неспо-
ровыми формами группы Pseudomonas. Очень высока пропорция гри-
бов. Среди микромицетов наиболее типичны виды, характерные для
почв подзолистого ряда: Penicillium daleae (стопроцентная встречае-
мость), Р. frequentens, Р. chrysogenum, Mortierella ramanniana. Разло-
жение целлюлозы носит грибной характер и протекает интенсивно.
Главные разрушители клетчатки — грибы рода Trichoderma, особенно
характерные для лиственных лесов. Круговорот азота также идет ак-
тивно. Из азотфиксаторов распространены преимущественно бактерии
рода Beijerinckia, хорошо развивающиеся в кислых почвах. Азотобак-
тера в красноземах нет, как и в подзолистых почвах. Много аммони-
фикаторов и нитрификаторов. В красноземах очень много дрожжевых
грибов р. Lipomyces, которые обильно распространены по всему про-
филю. Среди них, как и среди пенициллов и споровых бактерий, есть
212
виды, .характерные для подзолистых почв (L. starkeyi) и специфиче-
ские для красноземов (L. kononenkoae). Очень показательно наличие
Candida podzolica — индикатора иа кислые почвы.
Желтоземы, формирующиеся в сходных с красноземами био-
климатических условиях, на пологих подножиях склонов гор, по при
затрудненном дренаже, изучены биологически значительно меньше, чем
красноземы. По сравнению с последними интенсивность биологического
круговорота несколько ниже из-за избытка влаги. Ниже содержание
гумуса — 5—6%. Гумус также кислый, фульватный, pH почв 5,6—6,5.
Разложение опада — грибное с участием почвенно-подстилочных беспоз-
воночных. Много дождевых червей. В составе комплекса микромпце-
тов значительна доля целлюлозоразрушающих видов родов Trichoder-
та и Penicilliiini, характерных для дерново-подзолистых почв. Среди
дрожжевых грибов наиболее типичен вид Candida, podzolica.
А зона л ьп ы с и и и т р а з о н а л ь н ы е группы почв авт о-
морфпого и гидроморфного почвообразования включают ал-
лювиальные и болотные почвы, примитивные и слаборазвитые (при-
митивно-щебнистые, дерновые, вулканические), а также засоленные и
солонцеватые.
По своей биологии все эти почвы резко отличаются от зональных
почв, среди которых они встречаются. Особенно велики различия в
зонах с экстремальными условиями (в тундре, в пустыне). По поймам
рек, например, может происходить продвижение растений, животных и
комплексов почвенных микроорганизмов в те области, где они не встре-
чаются в зональных ландшафтах. Это было показано на примере рас-
пространения Az. cliroococcntn, на дождевых червях (появление амфи-
биотичсских видов в болотных почвах), на группировках гидрофильных
водорослей.
Резко выделяются по своей биологии засоленные почвы. Для них
характерно снижение интенсивности биологического круговорота, вы-
нос солей растениями-галофитами и концентрация их в биомассе.
В солонцах, расположенных пятнами в понижениях среди зональных
почв, сода накапливается в результате биогенных процессов сульфат-
редукции. Индикатором на засоление может служить споровая бак-
терия В. gasif leans. Грибы в засоленных почвах имеют неболь-
шой спектр с большой долей (до 30%) аспергиллов. Дрожжевые грибы
отсутствуют. Из бактерий преобладают коринеформныс группировки.
Азотобактера много в солончаках, но нет в солодях и осолоделых поч-
вах. Описанный И. И. Сушкиной для засоленных почв вид Azolobacter
galophilum представляет собой солеустойчивую разновидность Az. chro-
ococcnni.
В сильно засоленных почвах почти исчезают раковинные корне-
ножки, сохраняется лишь один вид — Centropyxis halophila, приуро-
ченный к горизонту В, где концентрация солей относительно низка.
Водорослевые сообщества различаются в зависимости от степени и
химизма засоления. Солеустойчивые синсзеленые и одноклеточные зе-
леные составляют основу сообществ, иногда присутствуют специфиче-
ские диатомеи, например Nodularia harveyana. Главную роль играют
представители пор. Nostocales из синезеленых. Среди них есть специ-
213
фпчсские виды — Afiabaena solicola, на такыре —- Microcoleus vaglna-
tus. Массовый вид — Scytonema ocillatum. В целом для засоленных
почв характерно обилие водорослей и диатомово-ностоко-сцитонемовый
их ценоз. В степных солонцах диатомеи составляют до 80% биомассы.
Велика средообразующая роль водорослей в примитивно-щебни-
стых и вулканических почвах, где широко идут процессы первичного
почвообразования. Первыми в свежевыпавших пеплах поселяются си-
нсзеленые и диатомовые водоросли.
В дерновых почвах автоморфного почвообразования группировки
водорослей отличаются от зональных: они образуют эфемерные короч-
ки, сходные по составу с солонцами: в них значительна роль синезеле-
ных п по числу видов и по интенсивности развития. Характерен для
них диатомово-ностоко-сцитонемовый ценоз. Для дерновых почв спе-
цифичен и комплекс видов тестацид (раковинных амеб): Arcella аге-
naria, Centropixis halophila, С. plagiostoma. По составу грибов они
резко отличаются от зональных почв: при развитии их в зоне дерно-
во-подзолистых почв в комплексе микромицетов нет характерных для
этих почв видов.
Таким образом, экологические условия регионального характера
вызывают существенные изменения в биоценозах и приводят к иному
типу почвообразования в пределах одной биоклиматпческой зоны.
Горные почвы. Почвы горных районов имеют вертикально-зо-
нальное распределение, учение о котором было заложено В. В. Доку-
чаевым. Он отметил определенную аналогию между распространением
почв с севера на юг на равнине и от вершины к подножию в горных
областях. Однако в горах существует значительно большее разнооб-
разие смен климата, растительности и типов почв, чем на равнинных
пространствах. Есть почвы, которые не имеют соответствующих ана-
логов па равнинах (например, холодные степи, холодные пустыни).
Другие хоть и имеют свои аналоги, ио никогда им не тождественны.
Вертикальная зональность в горах хорошо изучена на смене рас-
тительных ассоциаций: от нивальных мохово-лпшайпиковых группиро-
вок к альпийским и субальпийским лугам с мощным травостоем, к
хвойным и широколиственным лесам на буроземах и далее — к степ-
ной растительности на почвах, аналогичных сероземам, каштановым
почвам или черноземам. Этим растительным ассоциациям соответст-
вует свой комплекс животных и определенная структура микробного
ценоза почв. На примере Северного Кавказа, где вертикальная пояс-
ность хорошо выражена, было показано, например, изменение состава
и численности дождевых червей (Псрель, 1979). В предгорьях под
дубовыми лесами в палево-подзолистых почвах их насчитывается
100 экз/м2. Преобладает вид Dendrobaena schmidlii, представленный
двумя экологическими формами — собственно почвенной непигмеити-
ровашюй и мелкой подстилочной интенсивно окрашенной. Выше под
букняками в горно-лесных буроземах и в пихтарниках численность
дождевых червей ниже, чем в дубовых лесах предгорий. Меняется не-
сколько и их видовой состав. Основной вид — Nicodrilus jassyensis.
В смешанных буково-пихтовых лесах появляется почвообитающий вид
214
Dendrobaena allemsi. Еще выше встречаются только виды, принадле-
жащие к наиболее распространенному на Кавказе роду Dendrobaena.
В почве субальпийских лугов численность люмбрицид выше, чем под
лесами, а в альпийской зоне дождевые черви встречаются лишь спо-
радически. В тех горных системах, где имеются горные тундры, дож-
девые черви обнаруживались всегда, но в небольших количествах. Спе-
цифических «альпийских» видов люмбрицид нет, как па равнинах нет
видов-эндемиков в тундре. Таким образом, в вертикально-поясном рас-
пределении дождевых червей в горах в общих чертах повторяются те
же закономерности, которые прослеживаются в их зональном распре-
делении па равнине.
Диалогичные данные получены и для других групп животных, для
макромииетов, а также для микробного населения почв в целом и для
отдельных видов и группировок микроорганизмов в разных горных си-
стемах Советского Союза. Почвы гидроморфного ряда в горах так же,
как и иа равнинах, отличаются от зональных почв и по степени засе-
ленности и но составу видов. Многие виды Lumbricidac, например, спо-
собны выходить по аллювиальным почвам в поймах рек за пределы
«своей» зоны, где они обычно распространены. В почвах речных пойм
встречаются многие космополитные виды, а некоторые горные энде-
мики, наоборот, проникают вдоль рек в предгорья и на равнины.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНДИКАЦИИ
И ДИАГНОСТИКИ ПОЧВ
Современная диагностика почв использует достижения всех раз-
делов почвоведения, оперируя данными по морфологии, химии, физике
и минералогии почв. Физические и химические свойства характеризу-
ют относительно консервативные накопившиеся признаки и свойства
почв. Биология почв располагает показателями, которые характеризуют
динамичные свойства, являющиеся индикаторами современного режи-
ма жизни почв. Поэтому использование биологических методов био-
диагностики и индикации необходимо для общей характеристики со-
стояния почвы,оценки се плодородия.
В основе принципа биологической диагностики почв лежит пред-
ставление о том, что почва как среда обитания составляет единую си-
стему с населяющими се популяциями разных организмов. В зависи-
мости от сочетания природных факторов, определяющих почвообра-
зовательный процесс, разные почвы различаются по составу своей
биоты, направленности биохимических превращений и содержанию тех
химических компонентов, которые являются продуктами этих превра-
щений или их агентами.
Этот принцип был положен в основу учения о почве и биологиче-
ском факторе почвообразования, созданного представителями класси-
ческой русской школы генетического почвоведения. Он прослеживается
в трудах В. В. Докучаева, П. А. и С. П. Костычевых, Н. А. Димо,
В. Н. Сукачева, Б. Б. Полыпова, Н П. Ремезова и др.
215
Развитие современного почвоведения обязательно предполагает
включение важнейших методов биологического исследования — бота-
нических, микробиологических, биохимических, зоологических.
Ботанические методы фитоиндикации и диагностики почв наибо-
лее хорошо разработаны. Они входят в особый раздел геоботаники —-
индикационной геоботаники, сформировавшейся в 30-х годах нашего
столетия. При составлении описания почв используют, как правило,
и характеристику растительности. Поэтому к настоящему времени на-
копился уже большой материал по взаимосвязи почв и растений. Ме-
тоды фитоипдикацпи применяют при бонитировке почв, почвенных
свойств и процессов. Например, путем анализа состава и структуры
растительных сообществ, распространения растсний-иидикагоров или
определения индикаторных признаков у отдельных видов растений
можно установить тип почвы, степень ее гидроморфизма, развитие
процессов заболачивания, соленакопления и т. д. Среди растений об-
наружены индикаторы на тот или иной механический и химический
состав почв, степень обогащениости питательными элементами, на кис-
лотность или щелочность, глубину протаивания мерзлотных почв или
уровень грунтовых вод.
Почвенно-зоологические исследования диагностического профиля
стали развиваться позже ботанических. Только в 50-х годах почвенная
зоология оформилась как самостоятельная область науки. Накоплен-
ный к тому времени фактический материал по распространению в поч-
вах беспозвоночных, их фаунистическому составу и адаптационным
характеристикам позволил сформулировать основные принципы зоо-
логического метода диагностики почв (Гиляров, 1965). Этот метод был
успешно использован М. С. Гиляровым при решении некоторых спор-
ных вопросов генетического почвоведения, например при выяснении
происхождения красноцветных почв Крыма, буроземов центральных
Кодр Молдавии, почв орехово-плодовых лесов Киргизии, горных черно-
земов Кавказа. Теоретической предпосылкой применения почвенно-зоо-
логического метода для целей диагностики почв является представле-
ние об «экологическом стандарте» вида (М. С. Гиляров), о потребно-
стях каждого вида в определенном комплексе условий среды. Поэтому
каждый вид в пределах своего ареала встречается только в тех место-
обитаниях, которые обеспечивают этот комплекс необходимых для про-
явления жизнедеятельности условий. Амплитуда варьирования отдель-
ных факторов среды, в которых возможно существование данного вида,
характеризует экологическую пластичность вида. Виды с широкой эко-
логической амплитудой (эвритопиые) мало пригодны для индикаци-
онных целой, тогда как экологически узковалс.птные виды (стснотоп-
ныс) служат хорошими индикаторами определенных условий среды и
свойств субстрата. Это положение представляет собой общий теоре-
тический принцип в биологической диагностике. Для почвенных живот-
ных, использующих почву как единую среду обитания, а не как систему
микросред в случае микроскопически малых организмов, легче можно
выявить зависимость между общими свойствами почвы и ареалами ви-
дов. Однако при этом следует учитывать, что один и тот же вид в
216
разных местах своего ареала может менять местообитания и, следо-
вательно, служить индикатором на разные условия («правило смены
местообитаний» Г. Я. Бсй-Биснко). Например, виды мезофильные в
центре ареала становятся у северных границ ареала ксерофильными,
а у южных — гигрофильными. Так, июньский хрущ Aniphimalloti sol-
stitial? L. в нечерноземной зоне встречается в сухих супесчаных почвах
на южных склонах оврагов, а в полупустынях Средней Азии — только
во влажных почвах вдоль рек. В центре же ареала, в лесостепной зоне,
этот вид распространен в разных почвах и ведет себя как эвритопный
мезофил. Следовательно, индикационную роль он может играть только
в тех местах, где он выступает как стенотоппый организм.
Однако использование одного вида для индикации дает мало уве-
ренности в правильности выводов. Лучшее условие — исследование
всего комплекса организмов, из которых одни могут быть индикатора-
ми на влажность, другие — на температуру, третьи — на химический
или механический состав. Чем больше общих видов почвенных живот-
ных встречается па сравниваемых участках, тем с большей долей ве-
роятности можно судить о сходстве их режимов, а следовательно, и о
близости исследуемых почвенных разностей, о единстве почвообразо-
вательного процесса. Не все группы почвенных животных равнознач-
ны с точки зрения их диагностической ценности. Менее чем другие,
полезны микроскопические формы — простейшие и микроартроподы
(клещи, ногохвостки). Их представители отличаются космополитизмом,
в силу того что почва для них не выступает как единая среда обитания,
а живут они в системе пор, капилляров, пещер, которые можно найти
в любой почве. Среди простейших до последнего времени только ра-
ковинные амебы были использованы в качестве показателей почвен-
ных условий, особенно в некоторых гидроморфных почвах. Их легче,
чем других простейших, определять по строению их раковинок, кото-
рые, кроме того, хорошо сохраняются в почве. Путем прямого микро-
скопирования или подсчета клеток тестацпд в мазках на стекле было
показано, что наибольшая численность их обнаруживается в кислых
лесных почвах под хвойными лесами (десятки тысяч в 1 г при биомас-
се около 10 кг/га) и наименьшая — в солонцах.
Из микроартропод наиболее хорошо изучены индикаторные свой-
ства у панцирных клещей. Было показано, что все зональные типы
почв СССР четко различаются по численности, биомассе, продуктив-
ности, характеру вертикального распределения, спектрам жизненных
форм и по фаунистическому составу населения орибатид. Наибольшей
величины их численность достигает в почвах таежной зоны, а наиболь-
шей продуктивности — в почвах влажных субтропиков (Крпволуцкий,
1976). 1 J
Особенно ценны и удобны для индикационных работ в почвове-
дении комплексы крупных беспозвоночных (дождевые черви, много-
ножки, личинки насекомых), которые менее космополиты, чем про-
стейшие и микроартроподы. Ареалы видов крупных беспозвоночных
более надежно изучены и характеризуются определенным комплексом'
почвенно-климатических условий. Есть много примеров индикаторного
8 Биология почв
217
значения почвенных беспозвоночных. Так, например, стафплиниды
рода Bledius и чернотелки рода Belopus показательны для солонча-
ково-солонцового комплекса почв (Гиляров, 1976), многоножки-кився-
ки, некоторые мокрицы и легочные моллюски служат индикаторами-
на содержание в почве извести. Это организмы-калькофилы. Вид дож-
девых червей Octolasium lacteum и некоторые виды проволочников
также являются показателями высокого содержания кальция в грун-
товых водах.
Для целей установления типа почвы и направления почвообразо-
вательного процесса используется не только принцип сравнительного-
изучения комплекса почвенных животных, но и такие показатели, как
профильное распределение беспозвоночных по отдельным горизонтам,
их участие в минерализации и гумификации опада. Например, в фор-
мировании бурых лесных почв большую роль играют диплоподы, мок-
рицы, моллюски, энхитреиды, сосредоточенные в лесной подстилке и
перерабатывающие опад in situ. В серых лесных почвах значительное
влияние на формирование профиля оказывают крупные сапрофаги —-
дождевые черви, связанные с минеральными слоями почвы, куда они
вовлекают растительные остатки. Соотношение подстилочных и собст-
венно почвенных крупны?; форм сапрофагов может помочь в некото-
рых случаях решению вопроса о направленности почвообразователь-
ного процесса.
Основой для развития почвенно-альгологических работ, индикаци-
онно-диагностического профиля служит положение о том, что зональ-
ности почв и растительности соответствует и зональность водоросле-
вых группировок. Она проявляется в общем видовом составе и ком-
плексе доминантных видов водорослей, в наличии специфических ви-
дов, в характере распространения по почвенному профилю, в преоб-
ладании определенных жизненных форм (Штина, Голлербах, 1976).
Подзолообразовательному процессу соответствует сравнительно
простая группировка водорослей с преобладанием одноклеточных зе-
леных и желтозеленых, устойчивых к низкому значению pH. Для дер-
нового процесса характерно большое разнообразие видов с равным
преобладанием синезеленых и зеленых и значительной долей желто-
зеленых и диатомовых.
Болотный процесс характеризуется исключительным разнообразием
видов с резким доминированием зеленых и наличием гидрофильных
видов. При степном процессе в группировке водорослей преобладают
синезеленые и одноклеточные зеленые — убиквисты, при солонцовом
получают значительное развитие диатомовые, при осолодепии па пер-
вое место выхотят зеленые и желтозеленые, включая специфические
виды. Пустынный процесс приводит к сокращению численности и раз-
нообразия желтозеленых и диатомовых и резкому доминированию нит-
чатых синезеленых водорослей. Биологическое освоение безжизненных
грунтов- и первичное почвообразование связаны с развитием ’мелких
одноклеточных зеленых, синезеленых или желтозеленых водорослей —•
убиквистов.
Такие показатели, как общая численность водорослей и их био-
218
масса, подвержены колебаниям под влиянием сезонных факторов и не
имеют большого индикационного значения.
Имеется связь между развитием отдельных видов водорослей и
факторами почвенной среды. Индикатором на влажность почвы слу-
жит обилие мелких форм диатомей. Показателем кислой почвы явля-
ются состав водорослей, в котором отсутствуют синезеленые и диато-
мовые. Для почв засоленного ряда характерны некоторые синезелепые.
С позиций индикации состояния почвы в отношении се окультурепно-
сти водоросли проявляют следующие тенденции: с освоением и окуль-
туриванием возрастает общая численность водорослей и изменяется их
состав в сторону увеличения доли синезеленых и среди них — азот-
фиксирующих видов, усиление развития диатомей, увеличение видо-
вого разнообразия желтозеленых и нитчатых зеленых. Интенсивное
развитие видов синезеленых из семейств Nostocaceae и Anabaenaceae
можно считать показателем окультурепности почвы (Голлербах, Шти-
на, 1969).
Микробиологическая и биохимическая характеристика почв — на-
иболее сложные разделы почвенной биодиагностики. Микроорганиз-
мы — очень чуткие индикаторы, резко реагирующие на различные из-
менения в среде. Отсюда динамичность микробиологических показа-
телей. Уже в первых работах диагностического направления в почвен-
ной микробиологии, организованных С. П. Костычевым в 20-х годах,
была поставлена задача исследования биодинамики почв, т. е. учета
показателей не только в пространстве, но и во времени. Другая труд-
ность —- пестрота значений численности в связи с неравномерностью
распределения микроорганизмов в почвенной толще и даже в почвен-
ном слое одного генетического горизонта. Из этого следует необходи-
мость не только многократных анализов, но и многочисленности обра-
батываемых образцов. Третья сложность заключается в слабой разра-
ботанности микробной систематики и идентификации видов. В то же
время индикаторная ценность биологических показателей связана в
огромной степени именно с определением общего состава видов и вы-
делением среди них доминантов, имеющих экологическое значение в
данном местообитании.
Почвы характеризуются не только составом и численностью раз-
ных групп биоты, но и их суммарной активностью, а также активно-
стью биохимических процессов. Именно биохимические процессы, ле-
жащие в основе почвообразования, обусловливают плодородие почв.
С. П. Костычев еще в 20-е годы писал: «Можно думать, что в конце
концов почти все учение о химических превращениях веществ в почве
станет достоянием микробиологии и почвоведение сделается в значи-
тельной своей части биологической наукой». И далее: «...в нормальных
почвах биохимические процессы настолько преобладают над химиче-
скими, что земледельцу нужно преимущественно считаться с первыми»
1 Костычев С. П. Исследования по биодинамике почв. Избр. труды, 1956,
т. 2, с. 384.
Показателями биологической активности почв могут слу-
жить количественные характеристики численности и биомассы разных
групп почвенной биоты, их общая продуктивность, некоторые энерге-
тические данные, активность основных процессов, связанных с круго-
воротом элементов, ферментативная активность почв, а также коли-
чество и скорость накопления некоторых продуктов жизнедеятельности
почвообитающих организмов.
Рассмотрим ряд показателей, которые используют для оценки био-
логической активности почв.
Прямыми методами можно учесть количество почвенных беспоз-
воночных, простейших и водорослей. Зная численность клеток в еди-
нице объема или массы почвы, их размер и удельную массу, можно
получить расчетную биомассу разных групп организмов в почве. Так
называемые «прямые» методы учета бактерий, актиномицетов и гри-
бов предполагают отделение их клеток или мицелия от почвы в ре-
зультате суспендирования в воде с последующим перенесением их на
стекла или фильтры, окраску и подсчет под микроскопом отдельных
клеток или длины обрывков мицелия. Разработаны также методы пря-
мою счета бактерий в счетных капиллярах или под электронным мик-
роскопом. При расчетах принимают за удельную массу (плотность)
бактерий г/= 1,08 г/см3. При средних размерах клеток почвенных бак-
терий 0,4 мкм в диаметре, объеме 0,08 мкм3 и численности 15 млрд/г
абсолютно сухой почвы получаем 1,16 мг/г почвы биомассы бактерий
в перегнойно-глеевой почве, что составляет приблизительно 0,1% поч-
венной массы. В дерново-подзолистой почве бактериальная биомасса
составляет 0,17 мг/г, в серой лесной 0,28, в черноземе — 0,38 мг/г.
В пересчете па 1 га получаем в дерново-подзолистой почве 560, а в
черноземе 970 кг/га. Для подсчета биомассы, образующейся за год,
и вычисления прироста на единицу площади (продуктивности) необ-
ходимо знать число генераций за определенный период. Расчеты, сде-
ланные на энергетической основе (обеспеченность бактерий в почве
доступным энергетическим субстратом для размножения) с учетом
энергии на поддержание, предполагают для почв средней полосы уме-
ренного климата до 30—40 генераций в год. Скорости роста грибов
и бактерий в значительной мере зависят от сезона года: в летнее время
эти показатели выше, чем зимой. Хорошо известно, что численность
живых организмов в почве постоянно меняется. Однако в каждой поч-
ве имеется определенный естественный уровень, который можно при-
нять за пул, т. е. тот запас почвенных микроорганизмов, который не
обеспечен энергетическим веществом для непрерывного размножения,
но находится в состоянии поддержания. Эта величина пула не зави-
сит от сезона, а определяется особенностями самой почвы и фактора-
ми среды, которые влияют на почвенные свойства. В качестве харак-
теристики интенсивности продукционного процесса почвенных микро-
организмов иногда принимают суммарное количество синтезированной
биомассы за тот или иной срок. Так, было подсчитано, что в лесных
подстилках суточная продукция грибного мицелия составляет 1 г/м%
что приблизительно соответствует продуктивности зерновых.
220
Для определения размеров микробной биомассы и продуктивности
используют не только прямые подсчеты числа клеток, но и косвенные
методы. Например, биомассу водорослей предложено определять по
количеству хлорофилла, бактерий — по специфической для прокариот
мурамовой кислоте, грибов — по хитину, который входит в состав их
клеточных стенок. Микробную активность в почве определяют также
по уровню АТФ, полифосфатов, содержанию ДНК и РНК, амино-
кислот.
Наиболее общими являются методы, позволяющие оценить сум-
марные биологические процессы по исходным или конечным продук-
там. Таковыми служат, например, методы определения дыхания поч-
вы по поглощению О2 или выделению СО2; радиореспирометрический
метод определения 14С в органической фракции после пиролиза для
установления уровня фиксации 14СО2; метод учета активности азот-
фиксации по восстановлению ацетилена; использование микрокалори-
мстрических измерений для установления уровня термогенеза; аппли-
кационные методы с применением специальных материалов (целлюло-
зы, хроматографической бумаги, целлофана) для оценки скорости и
степени их разложения и накопления продуктов метаболизма, напри-
мер, аминокислот.
Особую группу составляют методы определения активности от-
дельных ферментов в почвах, характеризующие потенциальную биоло-
гическую активность почв. При этом устанавливают не количественное
содержание фермента в почве, а его потенциальную активность. Вы-
деление фермента из почвы — процесс трудоемкий. Из 25 кг почвы
был получен, например, всего 1 г уреазы. Часто выделение приводит
к инактивации фермента. Ферменты, выделенные клетками, хотя и яв-
ляются белковыми молекулами, в почве сохраняются длительное вре-
мя благодаря протекторному действию адсорбции или связи с другими
веществами или элементами, что повышает их стойкость к микробному
разрушению. Проблему составляет разделение внеклеточных и вну-
триклеточных ферментов. Нагревание почвы до 100° в течение 3 ч по-
зволяет приблизительно определить количество внеклеточных фермен-
тов, которые характеризуются термоустойчивостью.
В мире живого обнаруживают сейчас до 1000 ферментов. В почве
есть все ферменты, но только для 8—9 разработано в настоящее время
до 40 методов их определения. Наиболее известны методы определе-
ния гидролаз и оксидоредуктаз. Из гидролаз это инвертаза, фосфатаза
(кислая и щелочная), протеазы, уреаза, амилазы; из оксидоредуктаз —
дегидрогеназа, полифенолоксидазы, каталаза. При характеристике
типов почв по их ферментативной активности предлагается ввести по-
казатель не на 1 г почвы, а на столбик сечением 1 см2 с учетом ак-
тивности по всем генетическим горизонтам (Звягинцев, 1976).
Один из новых методов оценки биологической активности почвы —
метод определения активности инициированного микробного сообще-
ства, развивающегося в данной почве при внесении специфического
вещества, например крахмала. Комплекс амилолитических микроорга-
низмов исследуют классическими методами почвенной микробиологии
221
с применением сканирующей электронной микроскопии. При нанесении
полоски крахмала на почвенную пластинку можно наблюдать сукцес-
сию микроорганизмов по мере разложения крахмала в разных эколо-
гических условиях, задаваемых экспериментом.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ
ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПОЧВЕННОЙ СРЕДЫ
И САМООЧИЩЕНИЕ ПОЧВ
Показатели, характеризующие состояние почвенной биоты и био-
логическую активность почв, можно использовать для контроля за те-
ми изменениями в почвах, которые возникают при включении в них
разного рода посторонних веществ, чаще всего антропогенного проис-
хождения. Различают следующие типы и характер загрязнения почв.
1. Химическое загрязнение (пестициды, тяжелые металлы, радио-
нуклиды, нефтяные углеводороды, минеральные удобрения).
2. Биологическое загрязнение объектами микробиологического
производства белка и БВК (белково-витамипных концентратов), па-
тогенными, условно-патогенными и энтомопатогенными бактериями,
которые используют для борьбы с вредителями леса.
Пестициды — это новый экологический фактор, появившийся
в природе в связи с широким применением человеком чужеродных сое-
динений для борьбы с сорняками (гербициды), насекомыми-вредите-
лями (инсектициды), фитопатогенными грибами (фунгициды). Миро-
вой ассортимент пестицидов насчитывает -около сотни тысяч препара-
тов на основе 900 химических соединений. И он непрерывно растет.
Пестициды попадают в почву путем непосредственного внесения
или же с протравленными семенами, отмирающими частями растений
и трупами насекомых. Из почвы они поступают в воды, корма и пи-
щевые продукты. Пестициды оказывают разное воздействие на поч-
венную биоту и биохимическую активность почв. Особую опасность
представляют стойкие и кумулятивные пестициды, персистентность ко-
торых достигает нескольких лет. К ним относятся, например, препа-
раты на основе триазинов и симтриазинов, а также хлорорганическне
инсектициды, такие как ДДТ, хлордан, гептахлор, обнаруживаемые в
почвах через 8, 10 и даже 12 лет после применения. В основном пести-
циды накапливаются в верхнем слое почвы, а в лесах — в подстилке,
но далее они могут мигрировать вглубь по профилю • до 1 м и более.
Скорость и глубина проникновения зависят как от самого пестицида
(его химических свойств), так и от особенностей почвы, в том числе
от состава биоты. Поступающие в почву пестициды адсорбируются
глинистыми минералами, вступают в химические реакции, разлагаются
или трансформируются микроорганизмами. Одно из направлений в
изучении взаимодействия пестицидов с почвенной биотой — исследо-
вание деградации и трансформации пестицидов чистыми культурами
почвенных микроорганизмов. Известны четыре пути превращения пес-
тицидов (Alexander, 1970): 1) энзиматическое воздействие, которое
222
ведет к полной потере токсических свойств препарата, к его инакти-
вации и детоксикации; 2) трансформация в токсические вещества —
активация; 3) трансформация в другие вещества с иным спектром ин-
гибирующего действия; 4) трансформация с образованием соединения-
стимулятора.
В природной среде, в почве, существенную роль в разложении
пестицидов микроорганизмами играют такие явления, как кометабо-
лизм и синтрофия. В нервом случае скорость минерализации пестици-
да, относящегося к группе так называемых «устойчивых», повышается
при наличии в среде дополнительного соокисляемого субстрата, а во
втором случае на пестицид действует смешанная популяция микроор-
ганизмов, и его разложение протекает более активно, чем в условиях
чистых культур. Имеются попытки интенсифицировать процесс дегра-
дации, например хлорароматических кислот, внесением в почву соот-
ветствующих косубстрагов — специфических индукторов для повыше-
ния активности почвенной микрофлоры.
В процессе самоочищения почвы от пестицидов участвуют не толь-
ко микроорганизмы, но и многие группы почвенных животных. Ного-
хвостки, клещи и другие обитатели почв инактивируют пестициды, из-
меняя их химический состав. Крупные беспозвоночные, такие как дож-
девые червя, а также другие роющие животные (кроты, землеройки),
перемешивая почву, способствуют перемещению загрязненной почвы
верхнего горизонта в глубокие слои.
Один из путей изучения поведения пестицида в почве — внесение
его меченого препарата и определение выделяющейся 14СО2. В случае
быстрой деградации пестицида почвенными микроорганизмами его ре-
комендуют к применению. Другой путь — оценка действия пестицида
на почвенную биоту и биохимическую активность почв разными ме-
тодами.
Много фактов свидетельствует о том, что производственные дозы
применяемых гербицидов не подавляют заметно развития почвенной
биоты при редких обработках или однократном внесении. Дело в том. что
расчетные дозы препаратов не соответствуют тем концентрациям, ко-
торые создаются в отдельных локусах почвы. В почве всегда имеются
участки, где концентрация гербицида может быть в 5—10 раз выше
расчетной, а в других местах — очепь низкой, вплоть до полного от-
сутствия. Биота иногда не только не повреждается, но даже стимули-
руется за счет поступления в почву органических остатков в резуль-
тате массовой гибели сорняков после применения гербицида. Однако
многократное применение, приводящее к накоплению препарата, или
использование очепь высоких доз может вызвать избирательное угне-
тение части биоты или отдельных биохимических процессов. Особенно
резко проявляется действие фунгицидов, которые применяют против
фитопатогенных грибов. Они могут подавлять также сапрофитные поч-
венные микромицеты и другие микроорганизмы, вызывая эффект час-
тичной стерилизации почвы.
Гербициды триазииового ряда вызывают последействие в отноше-
нии таких ферментов, как инвертаза и уреаза (их активность увели-
223
чивается), протеаза (слабо подавляется) и фосфатаза (по-разному в
зависимости от почвы). При многолетнем применении хлорорганиче-
ских пестицидов происходит подавление активности фосфатазы па
30—60%. Ингибиторами нитрификации являются галогированные фе-
нолы, нитрофенолы, хлориды, хлораты и особенно 2-хлор-6 (трихлор-
метил)-пиридин. Подавление этими препаратами нитрификации па 70%
и более происходит за счет ингибирования цитохромной системы мик-
роорганизмов. Наиболее сильным ингибирующим действием на нит-
рификацию в почве отличается промстрин. Его применяют для подав-
ления процессов превращения азота и снижения его потерь.
Тяжелые металлы и другие техногенные элементы
рассеиваются в природе в результате производственной деятельности
человека. Появляются «геохимические аномалии», обязанные накоп-
лению в высоких концентрациях, иногда в 100 и 1000 раз выше при-
родных, тех элементов, которые ранее обнаруживались в почвах в
следовых количествах. Если в древнее время человек использовал
лишь 18 элементов, в XIX в. — 29, а в начале XX в.—«62, то в настоя-
щее время в поле деятельности человека вовлечены все известные в
земной коре элементы.
. Загрязнение почв происходит через атмосферу, воду и путем не-
посредственного поступления с отходами. Если в осадках содержится
большое количество серы в виде серных соединений и серной кислоты,
то происходит непрерывное подкисление почв. Это сказывается на со-
ставе микроорганизмов и биологической активности почв, что особенно
резко проявляется в случае слаборазвитых природно-кислых почв —
тундровых и подзолистых. Опасными загрязнителями почв являются
ртутные соединения, в особенности диметилртуть, которая содержится
в промышленных отходах. Из годовой добычи ртути около половины
теряется в процессе использования. Ртуть характеризуется значитель-
ной химической устойчивостью и свойством аккумулироваться в звень-
ях пищевой цепи. Микроорганизмы почвы могут давать устойчивые
к ртути популяции, которые превращают металлическую ртуть в ток-
сические для высших организмов вещества. Некоторые водоросли, гри-
бы и бактерии, способные аккумулировать ртуть в клетках, могут быть
использованы для ее извлечения из сточных вод.
Большую роль в загрязнении почв играют такие тяжелые металлы,
как свинец, кадмий, цинк и др. На каждую тонну добываемого свинца
теряется 25 кг. При мировой добыче его 2 млн. т/год потери ежегодно
составляют 50 тыс. т. Свинец поступает в почву через атмосферу с
осадками и пылью. Увеличение содержания цинка в почвах может
происходить как за счет промышленных отходов, так и за счет при-
менения суперфосфатных удобрений, в состав которых входит цинк.
Повышенная концентрация тяжелых металлов в почвах отмечается
вблизи крупных автотрасс, мест добычи или промышленных центров.
Степень загрязнения почв тяжелыми металлами зависит ют физико-
химических свойств почв, в частности от pH. В нейтральных и щелоч-
ных почвах подвижность металлов меньше, они мигрируют слабее, чем
в кислых. Скорость самоочищения почв от поступающих элементов
224
весьма низкая. Металлы связываются с органическими продуктами
микробной деятельности и мигрируют в органо-минеральной форме.
На миграцию и аккумуляцию элементов оказывают влияние и почво-
обитающие животные. Например, термиты в некоторых пустынных
районах Средней Азии накапливают в своих телах более двух десят-
ков химических элементов, в том числе серебро, стронций, хром, титан,
никель, медь и др. Такая особенность может быть использована в це-
лях биоиндикации. Лихеноипдикация разрабатывает методы опреде-
ления степени загрязнения среды по химическому составу лишайников.
Вычисляют коэффициенты их биологического поглощения, которые
рассчитывают как отношение содержания элемента в лишайнике к его
концентрации в корцеобитаемом слое почвы. Это дает возможность
оценить относительную способность разных видов лишайников одного
местообитания концентрировать элементы и выявить таким образом
виды-индикаторы. Показано, что напочвенные лишайники имеют бо-
лее постоянный ряд поглощения, чем эпифитные.
Биоиндикаторами на загрязнение почв тяжелыми металлами мо-
гут быть разные труппы почвенных микроорганизмов, а также отдель-
ные виды и биохимические процессы. Хорошим показателем повышен-
ного содержания в почве тяжелых металлов служит, например, уро-
вень азотфикспрующей активности, определяемый ацетиленовым ме-
тодом.
Радиоактивные элемент ы, например 90Sr, попадают в почву
с осадками, образуемыми в результате ядерных испытаний, или с от-
ходами атомных электростанций и предприятий по производству ядср-
ного горючего и ядерпого оружия. В местах естественных понижений
стронцнй-90 может накапливаться в почве в результате поверхностного
стока. Он поступает в растения и далее передается по пищевым цепям.
Почвенные микроорганизмы способны аккумулировать радиоактивные
элементы, что можно определить методами радпоавтографии. На этом
принципе возможна разработка методов использования микробных по-
пуляций для выявления геохимических провинций с высоким содержа-
нием указанных элементов в почвах.
Загрязнение почв нефтью и продуктами ее переработки
приводит к заметному сдвигу в составе биоты. Почва обогащается мик-
роорганизмами, способными разлагать углеводороды. Классические
работы по использованию углеводородов микроорганизмами были вы-
полнены В. О. Таусоиом еще в 20-е годы. В 60-е годы эта проблема
стала актуальной в связи с разработкой способов промышленного ис-
пользования процесса биосинтеза микробного белка из углеводородов
нефти.
Количественное определение содержания в почвах углеводород-
окисл яющих микроорганизмов было положено в основу метода биоло-
гической индикации на газовые и нефтяные месторождения (Могилев-
ский, 1939, 1940). Газообразные углеводороды, главным образом ме-
тан и пропан, поступают в почву из газоносных слоев и частично «про-
рываются» через микробный барьер в атмосферу. В верхних слоях
почвы в аэробных условиях юни окисляются почвенными микроорга-
225
низмами. Было показано, что численность пропанокисляющих бакте-
рий более резко падает с глубиной, чем метанокисляющих. Последние
распространены довольно широко и встречаются не только в почвах
газоносных районов, но и там, где идет энергичный распад органи-
ческих веществ в анаэробных условиях с образованием газообразных
углеводородов биологическим путем. Микроорганизмы, использующие
высшие гомологи метана, — обычные обитатели нефтеносных почв и
служат индикаторами на нефтяные месторождения или па загрязнение
почв нефтяными продуктами антропогенного происхождения.
Газоиспользуюшие микроорганизмы — это в основном представи-
тели группы аэробных грамотрицательных бактерий родов Pseudomo-
nas, Methylococcus, Melhylobacter, Methylosinus и др. В самые послед-
ние годы обнаружены метанокисляющие дрожжи среди родов Candida
и Rhodotorula.
Показано было также, что нефть стимулирует рост некоторых поч-
венных грибов, например представителей родов Poecilomyces, Fusarium.
Некоторые виды Scolecobasidium обнаружены только в почве, насы-
щенной нефтепродуктами. Возможно использование таких видов в ка-
честве индикаторов на загрязнение почв нефтью.
Скорость самоочищения почв от нефти имеет отличия в разных
природных зонах. В тех случаях, когда точно известно время загряз-
нения, состав и количество попавшей в почву нефти, можно сопоста-
вить результаты очищения почв через определенные промежутки вре-
мени. В одном из таких исследований на территории СССР было по-
казано, что на юге, в условиях недостаточного увлажнения, в серо-
коричневых солонцеватых почвах содержание нефти за первые 12 ме-
сяцев снизилось на 65%. При этом полностью минерализовалась лишь
1/3 часть, а около 40% превратилось в различные другие органические
продукты. В подзолистых и дерново-подзолистых почвах северных рай-
онов, в условиях переувлажнения, уменьшение содержания нефти про-
исходило более активно. При этом часть нефти перераспределилась
внутри почвы за счет циркуляции влаги. В этом случае опасности за-
грязнения подвергаются грунтовые воды. Через некоторое время после
загрязнения в почве возрастает численность и активность многих групп
микроорганизмов и в первую очередь — нефтеокисляющих (Глазов-
ская, Пиковский, 1980). Зная естественные механизмы и скорость са-
моочищения почв, можно разрабатывать методы защиты почвенного
покрова от загрязнения нефтью и нефтепродуктами.
Биологическое загрязнение почв чужеродными’ микро-
организмами происходит в результате попадания в почву бытовых и
сельскохозяйственных отходов и отбросов, а также за счет биологиче-
ских аэрозолей микробиологических производств. С бытовыми отбро-
сами в почву могут попадать потенциально опасные микроорганизмы—
патогенные и токсигенные, способные вызывать кишечные инфекции
и пищевые отравления у человека, эпидемические заболевания у жи-
вотных, токсикозы растений.
В санитарно-эпидемиологических почвенных исследованиях опре-
деляют содержание в почвах бактерий группы кишечной па'лочки
226
[Escherichia coli) и патогенных клостридий и бацилл — возбудителей
столбняка (С/. tetani), сибирской язвы [Вас. anthracis), газовой ган-
грены [Cl. perfringens), ботулизма [Cl. botulinum).
Бактериальные энтомопатогенные препараты (энтомобактерин,
дендробациллин, боверин, мускардин) содержат споры бацилл [Вас.
cereus, Вас. thuringiensis), которые в течение многих лет сохраняются
и размножаются в почве. При применении этих препаратов против
вредных насекомых методами аэрораспыления происходит массовое
обсеменение растительности и почвы спорами этих бактерий, что мо-
жет привести к нарушению природного равновесия в микробных сооб-
ществах.
Почва способна к самоочищению от несвойственных ей микроор-
ганизмов. Механизмы, лежащие в основе самоочищения почв, пока
остаются непознанными. Они могут быть разной природы. В первую
очередь это связано с отсутствием в почвенной среде условий, необ-
ходимых для развития попадающих извне микроорганизмов, неблаго-
приятного действия физических и химических факторов (кислотность,
низкие значения температур, высушивание, солнечная радиация и т. д.).
Опыты показали, что при попадании в почву дополнительных органи-
ческих субстратов происходит возрастание численности внесенных мик-
роорганизмов. Другой механизм элиминации загрязняющих почву мик-
роорганизмов — взаимодействие с членами почвенной биоты — выеда-
ние, лизис и др.
В некоторых случаях, при загрязнении небольших территорий, ре-
комендуется применять для очистки почв химические дезинфектанты
(формалин, окись этилена, тиазол и др.) или специфические препараты
пестицидов. Опыт по влиянию пестицидов па санитарно-показательные
и патогенные микроорганизмы обобщен в книгах «Актуальные вопро-
сы гигиены почвы» (1975) и «Материалы по гигиенической оценке пес-
тицидов и полимеров» (1977).
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЦЕНОЗОВ
И БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВ
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЧВЕННОЙ БИОТЫ
Метод стекол обрастания. «Микробный пейзаж» может
быть получен методом стекол обрастания Росси — Холодного,
который заключается в следующем. В небольшом почвенном
разрезе одну из стенок зачищают и, делая ножом вертикаль-
ную щель, закладывают в нее стерильные предметные стекла, плотно
прижимая их к почве. Закапывают разрез, отмечая колышком место-
нахождение препаратов. Если почва содержит достаточно влаги, то
закопанное стекло, вскоре покрывается почвенным раствором, к его
поверхности прилипают коллоидные частички органического и мине-
рального происхождения. В этой среде поселяются и активно разви-
ваются различные микроорганизмы, образующие на стеклах характер-
ные для данной почвы микропейзажи. По истечении срока экспозиции
227
(не менее одного месяца) стекло осторожно отделяют от почвы (не
скользящим движением), подсушивают на воздухе, фиксируют в пла-
мени горелки, отмывают осторожно препарат водой от крупных частиц
почвы (для этого можно оставить стекло в стакане с водой в наклон-
ном положении иа несколько часов), окрашивают 1%-ным карболовым
эритрозином в течение 1 ч во влажной камере, промывают дистилли-
рованной водой, высушивают и микроскопируют. Метод широко при-
меняется в микробиологической практике. С помощью этого метода
впервые 'оказалось возможным наблюдение за распределением раз-
личных микроорганизмов в их природной среде обитания, наблюде-
ние за формой и размерами группировок микроорганизмов, их взаимо-
отношениями.
Модификация метода заключается в том, что стекла перед поме-
щением в почву покрывают какой-нибудь питательной средой (крах-
мало-аммиачным агаром, например, согласно модификации А. В. Ры-
балкиной и Е. В. Кононенко.) или специфическим субстратом (напри-
мер, фильтровальной бумагой, льняной тканью и т. д.).
Метод капиллярных педоскопов. В естественных условиях разви-
тие микроорганизмов происходит в основном в почвенных капиллярах,
к стенкам которых прикрепляются почвенные микроорганизмы. Исхо-
дя из этого положения, Б. В. Перфильев и Д. Р. Габе (1961) 1 пред-
ложили использовать для наблюдения за живой почвенной микрофло-
рой капилляры с плоскопараллельными стенками. Был сконструирован
специальный прибор — педоскюп, состоящий из набора таких капил-
ляров.
Стерильные педоскопы , вставляют в почву с помощью специаль-
ного пробойника так, чтобы каналы капиллярных ячеек приняли вер-
тикальное положение, т. е. соответствовали преобладающему направ-
лению тока почвенного раствора. Экспозиция педоскопов в почве длит-
ся обычно в течение месяца, после чего педоскопы вынимают из почвы,
очищают снаружи от почвенных частичек и рассматривают под мик-
роскопом с иммерсионной системой объектива. Микробы в педоскопах
могут быть зафиксированы и окрашены. Фиксируют их в парах осмие-
вой кислоты или в парах 40%-ного раствора формалина. Окрашивают
1%-ным раствором карболового эритрозина, промывают водой.
Модификация метода, предложенная Т. В. Аристовской, состоит
в том, что внутренние стенки капилляров покрывают средой, содержа-
щей ту или иную фракцию гуминовых кислот. 50 г почвы заливают 1 л
0,1 н. раствора NaOH и через 18—20 ч отфильтровывают. Реакция
среды должна быть слабокислой, pH фильтрата осторожно доводят
0,2 н. НС1 до 5. Затем в фильтрат по капле прибавляют 20%-ный раст-
вор FeCU до полного выпадения гумусовых веществ в форме геля, кото-
рый отфильтровывают и отмывают от следов хлора (проба с 1%-ным
раствором AgNOa). Около 5 мл геля растирают в ступке, взбалтывают
в 1 л воды, вносят в 0,1%-ный раствор агара и стерилизуют. Педоскоп
1 Перфильев Б. В., Габе Д. Р. Капиллярные методы в микробиологии. М.,
1961.
228
“боковой стороной помещают в расплавленную среду, тщательно про-
тирают снаружи стерильной ватой, подсушивают.
Метод люминесцентно-микроскопического наблюдения микроорга-
низмов в почвенных монолитах по Звягинцеву. Приготовляют цилинд-
рическую формочку размером 1X1 см из нержавеющей стали, пласт-
массы или стекла, имеющую острые края. Вдавливают формочку в
почву исследуемого горизонта и осторожно вынимают се так, чтобы
над краями формочки возвышался слой почвы. Острой бритвой среза-
ют почву, чтобы верхняя грань монолита была на уровне краев фор-
мочки. На поверхность почвы капают раствор акридина оранжевого
и накрывают ее очень тонким покровным стеклом (0,10—0.12 мм).
Через 10—20 мин исследуют в люминесцентном микроскопе с иммер-
сионным объективом (90Х) в отраженном свете. Основные трудности
метода заключаются в подборе подходящей концентрации красителя;
для каждой почвы она подбирается опытным путем.
Электронно-микроскопические исследования почвенных микроорга-
низмов. Разрешающая способность электронных микроскопов достига-
ет 2 Л. Современные электронные микроскопы позволяют увидеть даже
атомы тяжелых металлов. В настоящее время получили распростра-
нение два типа электронных микроскопов; просвечивающие или транс-
миссионные (ТЭМ), в которых исследуемый объект просвечивается
пучком электронов, создающим затем на экране или фотопластинке
соответствующее изображение, и растровые, или сканирующие (СЭМ),
в которых изображение создается вторичными электронами, испускае-
мыми исследуемой поверхностью при облучении ее пучком первичных
электронов. Электронные м и к р о с к о 1i ы_пр о с вечивающего типа отлич а -
ются более высокой разрешающей способностью, однаТо они пригодны
только для изучения очень тонких образцощДс толщиной, не превы-
шающей 500 А). Поэтому в микробиологии и почвоведении более ши-
рокое применение находит растров а я_э.дектр онная микроскопия, 11 оз во -
ляющая исследовать непрозрачные объекты-. В растровом электронном
микроскопе высокая разрешающая способность сочетается с большой
глубиной резкости, широким полем зрения и большим диапазоном уве-
личений.
Подготовка препаратов для электронной микроскопии — сложный
и трудоемкий процесс. Подложка препаратов для микроскопов просве-
чивающего типа должна быть очень тонкой (10—15 мкм) и проницае-
мой для электронов. Такне пленки изготовляют из коллодия, формвара,
угля и кварца и помещают на металлические сетки. Диаметр предмет-
ных сеток равен 2—3 мм. На пленки наносят суспензию микроорга-
низмов и после испарения воды препарат просматривают. Часто пре-
парат подвергают дополнительной обработке — оттенению металлом
(золотом, платиной, палладием, хромом или ураном). Напыление ме-
таллом производят под вакуумом. Такая дополнительная обработка
повышает контрастность изображения. При микроскопировании поч-
венной суспензии се очищают от растворимых веществ путем диализа.
Основное трсоованис, предъявляемое к образцам для растровой
электронной микроскопии, — максимальное сохранение их первопа-
229
чальной структуры. Это требование осложняется тем, что наблюдение
на растровом электронном микроскопе ведется в условиях вакуума и
о.бразец находится под действием электронного пучка. Кроме того,
препараты для растрового электронного микроскопа должны быть элек-
тропроводными, поэтому исследуемые диэлектрические препараты не-
обходимо напылить металлами, препятствующими зарядке поверхности
или обеспечивающими стекание зарядов с поверхности образца. Пре-
парирование образцов для растрового электронного микроскопа вклю-
чает ряд операций, в том числе дегидратацию и высушивание образцов-
без нарушения их морфологической структуры и напыление поверхно-
сти тяжелыми металлами. Исследуют образцы, не превышающие 10 мм
в диаметре, поверхность образца не должна иметь больших неровно-
стей, так как наличие неровностей сказывается на фокусе изображе-
ния и препятствует равномерному напылению образца металлом. Вы-
сушенные образцы наклеиваются на металлические столбики и после
напыления металлом просматриваются под микроскопом.
Методы исследования адсорбции почвенных микроорганизмов. Для
изучения адсорбции микроорганизмов почвенными частичками поль-
зуются косвенными и прямыми методами. Метод Диановой и Вороши-
ловой заключается в следующем. В большую пробирку вносят 5 г поч-
вы и 1 мл бульонной культуры исследуемого микроорганизма. Такое
же количество клеток вносят в другую пробирку, не содержащую поч-
вы. Затем в обе пробирки вносят по 9 мл стерильной водопроводной
воды. После минутного встряхивания и 10-минутного отстаивания из
верхнего слоя жидкости обеих пробирок производят посев на питатель-
ную среду для учета количества микроорганизмов. По разности опре-
деляют количество адсорбированных клеток и вычисляют процент ад-
сорбции. Метод достаточно прост и нашел широкое применение при
изучении адсорбции искусственно внесенных в почву клеток микроор-
ганизмов.
Применение метода люминесцентной микроскопии дает возмож-
ность видеть адсорбированные клетки непосредственно на почвенных
частицах (Звягинцев, 1973). Поскольку большинство микробиологи-
ческих объектов не обладает собственной люминесценцией или облада-
ет сю в слабой степени, микроорганизмы окрашивают обычно специ-
альными красителями-флуорохромами (например, акридином оранже-
вым), которые обусловливают свечение клеток. При проведении работы
важно точно подобрать оптимальную концентрацию красителя. Только
в этом случае клетки будут достаточно хорошо видны. Например, мож-
но подобрать такую концентрацию, когда почвенные частицы светятся
красным, а адсорбированные на них клетки — зеленым. Опыты про-
водят с применением отраженного света. Иногда свечение почвенных
частиц затрудняет рассмотрение прикрепленных к ним клеток микро-
организмов, особенно при рассмотрении почвенных монолитов, где
почвенные частицы составляют сплошной светящийся фон. Ослабление
свечения фона достигается применением тушителей (например, пиро-
фосфата натрия 0,5—1%).,
230
Большие возможности для изучения адсорбции микроорганизмов
в почве дает сканирующая электронная микроскопия. При использо-
вании сканирующего электронного микроскопа удастся видеть отдель-
ные адсорбированные клетки микроорганизмов и их микроколонии.
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ВЗАИМООТНОШЕНИЙ
В БИОТИЧЕСКОМ СООБЩЕСТВЕ
Антагонизм. Для выявления микробов-антагонистов и изуче-
ния их антибиотической активности существуют различные методы.
Многие из них основаны на способности антибиотиков диффундиро-
вать в агаризованную среду. Метод агаровых блоков заключается в
следующем. Поверхность пи-
тательного агара, пригод-
ного для развития испытуе-
мого организма и образова-
ния антибиотического веще-
ства, засевают сплошным
«газоном» антагониста. По-
сле того как организм хо-
рошо разовьется и образует
антибиотическое вещество,
которое диффундирует в
толщу агара (для бакте-
рий — 4—5 сут, для гри-
бов — 6—8 сут, для акти-
помицетов — 8—10 сут),
стерильным пробочным
сверлом вырезают агаровые
блочки и переносят их на
поверхность другой агаро-
вой пластинки в чашке Пет-
ри, предварительно засеян-
ной тест-организмом. После
инкубации в термостате
(время инкубации зависит
от скорости роста тест-куль-
туры) вокруг агаровых
Рис. 78. Зоны угнетения роста тест-орга-
низма вокруг блоков с днтагоннстамп
блочков образуются зоны отсутствия роста тест-оргаиизма, если анти-
биотическое вещество, выделяемое исследуемым организмом, угнетает
рост тест-микроба (рис. 78). По диаметру зон судят об антибиотиче-
ской активности изучаемого организма.
Спектр антимикробного действия антагониста удобно определять
с помощью следующих методов. На питательный агар в чашки Петри
высевают в виде прямого штриха испытуемый организм. К выросшему
микроорганизму подсевают перпендикулярными штрихами тсст-орга-
низмы. По другой модификации вырезают большой блок среды с
культурой испытуемого антагониста и ставят его в центр чашки Петри
231
на топкий слой агара. Тсст-микрооы подсевают штрихами по радиусам
к блоку испытуемой культуры (рис. 79). Чашки инкубируют в термо-
стате в течение 3—7 сут при 28—30°. Максимальное действие анти-
биотика проявляется на том организме, развитие которого начинается
на большем расстоянии от блока.
Методы исследования микроорганизмов в ризосфере. Метод Кра-
сильникова. Лопатой подкапывают
Рис. 79. Определение антимикробного
спектра актиномицета—антагониста
1—среда для развития тест-организмов,
2 — агаровый блок с антагонистом, 3 —
зона диффузии антибиотика, 4 — штрих
тест-организма
почву под растением (используют
от 1 до 100 экземпляров и бо-
лее), извлекают корни, стряхи-
вают с них непрочно удерживаю-
щуюся почву и оставляют проч-
но связанную с корнями. Затем
корни срезают в стерильный пер-
гаментный пакет. Навеску кор-
ней с почвой (5—10 г) помещают
в колбу со 100 мл стерильной
воды. Посев производят обыч-
ным способом. После посева кор-
ни вынимают из колбочки, слег
ка подсушивают между листами
фильтровальной бумаги и взве-
шивают. По разности в весе кор-
ней с почвой и отмытых корней
узнают вес ризосферной почвы,
взятой для анализа. В качестве
питательной среды для посева
используют МПА, среду Эшби,
крахмало-аммиачный агар, сус-
ло-агар и другие питательные
среды. Контролем служат посе-
вы почвенных суспензий, из вне-
корневой зоны.
Вследствие того, что количе-
ство микроорганизмов в ризо-
сферной почве всегда больше,
чем в контрольной, для посевов
из почвы ризосферы почвенные суспензии разводят в большее число
раз, чем из контрольной почвы. Рассчитывают ризосферный эффект,
который выражают как соотношение числа клеток микроорганизмов
в 1 г ризосферной и контрольной почве на каждой среде.
Метод последовательных отмываний корней по Теппер. Из почвен-
ных монолитов с растениями стерильным пинцетом и ножницами от-
бирают 1 г молодых корней (примерно одного диаметра) с пристав-
шими к ним частицами почвы. Корни помешают в колбу со 100 мл
стерильной водопроводной воды и взбалтывают в течение 2 мин. Сте-
рильным крючком или пинцетом корни извлекают из колбы и перено-
сят последовательно во вторую, третью, четвертую, пятую, шестую и
седьмую колбы, также содержащие по 100 мл стерильной водопровод-
232
ной воды. В каждой колбе корни отмывают по 2 мин. Желательно,
чтобы в последней (седьмой) колбе в воду перед стерилизацией было
добавлено 5—7 г песка. Из каждой колбы отдельно стерильной пипет-
кой берут по капле отмывной воды п высевают на поверхность пита-
тельной среды па чашки Петри. Чашки инкубируют в термостате при
температуре 28—30°. В качестве питательной среды используют сле-
дующие: МПА, среда Эшби, сусло-агар, крахмало-аммиачный агар
и т. д. Учет посевов производят на 3—7 сут роста микроорганизмов.
По мерс отмывания корней численность микроорганизмов не убывает,
а в ряде случаев даже увеличивается. При этом в чашках с посевом
из первых отмываний обнаруживается много крупных колоний, состоя-
щих из споровых форм микроорганизмов. По мере отмывания корней
количество колоний бациллярных форм уменьшается и возрастает чис-
ло мелкоточечных колоний, представляющих нссп-эропосиые формы
бактерий рода Pseudomonas и корииеформных. Колонии коринеформ-
ных бактерий часто окрашены в желтый или розовый цвет.
Для сравнительного определения количества микроорганизмов в
ризосфере и ризоплане по методу Теппер суспензию из первого отмы-
вания дополнительно взбалтывают 5 мин, затем из нее готовят раз-
ведения, из которых делают посевы. Содержимое -остальных шести
колб сливают вместе и приготавливают последовательные разведения,
из которых делают посевы. Количество ризосферной почвы, попавшей
с корнями в первую колбу, находят по разности первоначальной на-
вески и навески отмытых корней. Для этого из последней порции от-
мывиой воды корни извлекают, помещают на фильтровальную бумагу
для удаления воды п взвешивают. При определении количества микро-
организмов на 1 г корней среднее число колоний, выросших на чашках,
умножают на количество капель в 1 мл, па степень разведения и на
600 (6 смывов по 100 мл в каждом) и делят на массу сырых корней.
Пространство вблизи корня условно разделяют на три зоны. Наи-
более удаленную от корней почву считают зоной эдафосферы. Почву
эдафосферы собирают после легкого встряхивания корней. Собственно
ризосферную почву получают путем отделения стерильным скальпе-
лем прикорневого слоя почвы не более 0,3 см. Оставшиеся на очищен-
ных -от почвы корнях микроорганизмы считают представителями рпзо-
планы. Обработку почвы и корней проводят на низкочастотном дезин-
теграторе типа УЗДН-1 (22 кГц, 0,4 А). Посев производят обычным
способом.
Методы изучения образования клубеньков на корнях, бобовых и
небобовых растении. Процесс инокуляции растений культурами бак-
терий и актиномицетов для образования клубеньков па корнях бобо-
вых (клевер, горох, соя) и небобовых (ольха, облепиха) растений про-
водят по методу Фереуса. Два предметных стекла толщиной 0,7—0,8 мм
с проложенной между ними с одного конца стеклянной пластинкой
располагают так, чтобы край одного стекла выступал над краем дру-
гого примерно па 3—5 мм, и прочно связывают нитками. Стеклянные
пластинки для прокладки готовят из покровных стекол. Систему сте-
кол стерилизуют в автоклаве в чашках Петри. Заполняют простран-
233
Рис. 80. Схема установ-
ки для искусственного
получения клубеньков на
корнях растений
ных в водопроводной
ство между предметными стеклами стерильной расплавленной агари-
зованиой минеральной средой следующего состава (г/л): СаС12--0,1;
MgSO4-7H2O— 0,12; КН2РО4 —0,1; Na2HPO4— 0,15; лимоннокислое
Fe — 0,005; следы Мп, Си, В, Мо, агар-агар — 6; pH 6,6 (доводят сер-
ной кислотой). В полужидкий агар между стек-
лами помещают 3—4 проростка растений и си-
стемы опускают в стаканчики с ватными проб-
ками, па дне которых налита жидкая минераль-
ная среда того же состава (рис. 80). Через
сутки проростки инокулируют суспензией 2—
3-суточных культур бактерий или актиномице-
тов. Для микроскопирования препарата бритвой
срезают нитки, удаляют очно стекло, на агар
наносят каплю воды и на нее помещают покров-
ное стекло. Наблюдают за образованием клу-
беньков на корнях инокулированных растений.
Определение токсического действия почвен-
ных. микроорганизмов иа растения. Почвенные
микроорганизмы способны образовывать веще-
ства различной химической природы, подавляю-
щие рост растении, — токсины. Накопление в
почве токсинов обусловливает токсические свой-
ства почв, определяемые следующим методом.
Испытуемую почву с помощью пинцета осво-
бождают от крупных корневых остатков и тща-
тельно перемешивают металлическим шпателем.
Берут навеску 60 г и помещают в чашку Петри
(опыт проводят не стерильно). Почву увлаж-
няют водой до состояния густой пасты и тща-
тельно размазывают по чашке Петри. Па по-
верхность такой пластинки раскладывают от 10
до 50 семян испытуемого растения (в завиепмо-
сги от размера семян), предварительно замочеп-
воде в течение суток. Обычно используют семена
культур, которые возделываются на изучаемых почвах. Контрольные
семена раскладывают на увлажненной вате, покрытой фильтровальной
бумагой. Семена проращивают в течение 5—7 дн при постоянной тем-
пературе и каждый день увлажняют равным объемом водопроводной
воды.
Степень токсичности почвы определяют по разнице в количестве
проросших семян и длине проростков и корней в опыте и контроле.
Токсичными считают почвы, вызывающие угнетение прорастания семян
на 20^-30% и более. Определение токсичности почвы рекомендуется
проводить на свежих образцах почвы, так как после хранения образ-
цов токсичность их значительно меняется.
Использование азотобактера как тест-организма для определения
токсических, свойств почвы. Агаризоваш-гую среду Эшби разливают в
стерильные чашки Петри и после застывания среды покрывают ее сте-
231
рильнымн пластинками целлофана, который тщательно расправляют
на поверхности агара металлическим шпателем. Целлофан предвари-
тельно нарезают кружками по размеру чашки Петри и во влажном со-
стоянии стерилизуют в автоклаве. На поверхность целлофана в центр
чашки Петри помещают испытуемую почву па площади диаметром
2 см. Почву предварительно увлажняют до пастообразного состояния.
На дне чашки карандашом по стеклу отмечают границы почвенной
лепешки. Чашки инкубируют в термо.стате при 28° в течение суток.
Через сутки целлофан вместе с почвой снимают с агара, а среду засе-
вают суточной культурой Azotobacter chroococctun. В случае наличия
токсических веществ в почве азотобактер не вырастает на пластинке
агара в том месте, где находилась почва, здесь па газоне образуется
стерильная зона. В качестве тест-микроорганизмов могут быть исполь-
зованы и другие культуры, в таком случае выбирают соответствующие
питательные среды для их развития. Учет опыта производят после
проявления роста тест-микроба по измерению диаметра стерильной
зоны.
Определение токсических свойств чистых культур микроорганиз-
мов. Для определения токсичности выделенных из почвы культур мик-
роорганизмов их предварительно выращивают в жидких питательных
средах в покое или на качалке. Определение токсичности культураль-
ной жидкости производят у бактерий на 2-й день, у актиномицетов на
5—10-й день, у грибов — на Т—10-й день роста. В качестве тестов для
определения токсинов используют семена различных растений. Токсич-
ность микроорганизмов определяют методом замочки семян.
Отфильтрованную культуральную жидкость разливают в стакан-
чики, фарфоровые чашечки или бюксы на 100 мл, отбирают по 20—
50 семян растений, замачивают их в каждом сосуде 20—24 ч. Для
контроля семена замачивают на тот же срок в водопроводной воде и
стерильной питательной среде. Те и другие семена раскладывают на
увлажненной вате с фильтровальной бумагой в чашках Петри. Все
чашки увлажняют равным количеством водопроводной воды. Токсич-
ными считают культуры микроорганизмов, вызывающие либо сниже-
ние всхожести семян, либо угнетение развития проростков и корней
более чем на 30% по сравнению с контролем.
Определение стимулирующего действия темноокрашенных пигмен-
тов грибов и актиномицетов на растения. Почвенные грибы семейства
Dematiaceae и многочисленные почвенные актипомицеты выделяют
темноокрашеиные пигменты — меланины, напоминающие по своим
свойствам гуминовые кислоты и участвующие в образовании гумусовых
веществ в почве. Как и гуминовые кислоты, микробные меланины об-
ладают стимулирующим действием на растения. Определяют стимули-
рующее действие микробных меланинов методом замочки семян. Семе-
на растений замачивают в культуральной жидкости микроорганизмов
или в растворе темноокрашенных пигментов в 0,1 н. NaOH. Контролем
служат семена растений, замоченные в воде или в растворе 0,1 н.
NaOH. Опыт ставят таким же образом, как и в случае замачивания
семян в культуральной жидкости токсинообразующих мпкроорганиз-
235
мов. Стимулирующее действие микробных меланинов на растение оп-
ределяют но увеличению всхожести семян, по усилению развития про-
ростков и корней более чем на 30% по сравнению с контролем.
Применение сканирующего электронного микроскопа для наблю-
дения за взаимодействием микроорганизмов и растений. Эпифитные
микроорганизмы, развивающиеся на поверхности стеблей, листьев и
семян растений (микроорганизмы филлосферы) и микроорганизмы,
развивающиеся на корнях растений (микроорганизмы ризопланы),
можно наблюдать с помощью сканирующего электронного микроскопа
(СЭМ). На препаратах (приготовление препаратов см. ниже), приго-
товленных из семян, листьев и корней растений, можно проследить за
развитием мпкроколопий бактерий, дрожжей, грибов, выявить особен-
ности прикрепления микробов к поверхности растительных тканей
(см. рис. 75).
Наблюдения за взаимоотношениями в культурах простейших с
бактериями. Почвенные простейшие питаются избирательно различны-
ми бактериями. Для демонстрации этого явления выделяют чистые
культуры наиболее распространенных и характерных почвенных про-
стейших: из жгутиконосцев, например, Bodo; из амеб — Vohldkumpfia
Umax, Hartmanella rhyzodes-, из инфузорий — Colpoda. Для получения
чистых культур простейших их культивируют на Azotobacier chroococ-
cum на среде Федорова с микроэлементами следующего состава (г/л):
сахароза — 20,0, К2НРО4 — 0,3, СаНРО4 — 0,2, K2SO4 — 0,2, MgSO4 —
0,3, NaCl — 0,5, РеСД—0,01—0,1, CaCO3— 5; смесь микроэлементов
Г мл. Смесь микроэлементов (г/л дистиллированной воды): Н3ВО3 —
5,0, (NH4)2MoO4 —5,0, KJ —0,5, NaBr — 0,5, ZnSO4 — 0,2, A12(SO4)3 —
0,3. Бактерии выделяют и культивируют па элективных средах. Оли-
гонитрофплы — на средах Федорова, Эшби; нитрифицирующие бакте-
рии — на среде Виноградского, денитрифицирующие — па видоизме-
ненной среде Гильтая; аэробные целлюлозоразлагающие бактерии —
на среде Гетчинсона; аммонифицирующие бактерии — на мясо-пеп-
тоином агаре (МПА) с суслом или па МПА. Перед опытом в каждом
варианте определяют плотность популяции данного вида простейших
и бактерий. Для определения интенсивности развития протпетов на
различных бактериях в каждую пробирку с развивающимися бакте-
риями вносят по 2 мл культуры простейших. Для сравнения получен-
ных результатов интенсивность развития протестов выражают в про-
центах, принимая за 100% рост па олигонитрофильной группе микро-
организмов.
Азотобактер — хороший пищевой источник для протпетов. Взаимо-
отношения между азотобактером и почвенными простейшими сложны
и включают не только истребление одного организма другим, но и эле-
менты симбиоза. Эксперименты по влиянию простейших па фиксацию
азота п интенсивность развития азотобактера проводят в смешанных
культурах бактерий и простейших. Чистые культуры простейших (на
одном виде бактерий) выращивают путем повторных пересевов их па
культуру азотобактера в элективной среде Федорова, что позволяет
освободиться от посторонних бактерий.
236
Опыт проводят в течение 7—10 дней при 26°. Плотность популя-
ции азотобактера определяют методом разведений, подсчет простейших
в жидких средах проводят микроскопически.
Для изучения влияния простейших па клубеньковые бактерии про-
водят эксперименты с различными штаммами клубеньковых бактерий
и разными видами амеб. Бактерии культивируют на агаризовапных
средах для клубеньковых, амебы — на чистых культурах изучаемых
бактерий. Для установления интенсивности размножения и продвиже-
ния амеб по колонии бактерии высевают штрихом из культуры одной
плотности иа агаризованную среду в чашки Петри. Когда колонии бак-
терий образуют явно выраженный штрих, в начале штриха наносят в
виде точки амебы. Исходные предпосевные плотности бактерий и про-
стейших учитывают по вариантам. Опыт проводят в течение 10 сут
при 26°. Об интенсивности развития амеб судят по быстроте их про-
движения по штриху. Наибольшую интенсивность проявляют Amoeba
albida. Определяют развивающееся количество клеток микроорганиз-
мов: с противоположного исходному конца штриха делают посев их
в жидкую среду. Подсчитывают количество выросших простейших и
бактерий.
Опыты, демонстрирующие возможность роста и развития Amoeba
albida при питании Cytophaga lutea, проводят на твердой и жидкой
среде Гетчинсона. В опытах на твердой среде Гетчинсона после засты-
вания агара в чашке Петри на его поверхность накладывают кружок
взвешенной стерильной фильтровальной бумаги. Затем производят по-
сев на одну серию чашек определенного количества целлюлозоразла-
гающих бактерий, а на другую серию чашек — бактерий с простей-
шими. Чашки, засеянные одними бактериями, служат контролем. Опыт
ставится в трех повторностях. Чашки инкубируют в термостате при
28—30° в течение 30 сут. Фильтровальная бумага разлагается бакте-
риями. Оставшуюся часть фильтровальной бумаги высушивают в су-
шильном шкафу до постоянного веса и взвешивают на аналитических
весах. По весовой разнице высчитывают количество разрушенной цел-
люлозы чистыми культурами бактерий и в совместных опытах с про-
стейшими. Cytophaga lutea с амебами разрушают приблизительно иа
20% больше бумаги, чем одни бактерии.
Наблюдения за питанием простейших дрожжами. Для выяснения
использования амебами дрожжей в качестве источника пищи пользу-
ются двумя методами.
Первый метод. На чашки Петри с голодным агаром наносят
штрихи дрожжей длиной 2 см. Предварительно готовят густую суспен-
зию дрожжей и петлей по трафарету, подкладываемому под чашку,
наносят штрихи с двойной повторностью. В конец каждого штриха
инокулируют цисты и вегетативные клетки амеб. Наблюдение проводят
на 3—4 сут. Отмечают наличие в препаратах амеб с клетками дрож-
жей (см. рис. 81), степень выедания штриха дрожжевых клеток аме-
бами, инцистировапне амеб. Полное выедание штриха дрожжей Cryp-
tococcus albidus отмечается, например, клетками амеб Hartmanella
rhyzodes, Vohldkampfia Umax. На некоторых видах дрожжей амебы
ннцистируются, до того как выедают штрих полностью.
237
Второй метод. В большие пробирки наливают по 1 мл физио-
логического раствора и стерилизуют. В пробирки вносят смешанные
культуры различных дрожжей и амеб. Стерильной пипеткой каплю
смеси помешают в камеру Горяева и просчитывают отдельно амебы и
дрожжи. Затем пробирки помешают в термостат на 24° и делают про-
счеты через каждые 12 ч. Учитывают изменение числа вегетативных
Рис. 81. Почвенные амебы, питающиеся клетками дрожжей
клеток и цист амеб и дрожжей в совместной культуре, изменение мор-
фологии дрожжевых клеток.
Взаимоотношения водорослей и почвенны х бес-
позвоночных животных. При выращивании водорослей на мем-
бранных фильтрах, помещенных на почву, отмечают появление про-
стейших, в частности амеб, клещей, энхитреид. Уменьшение количества
водорослей на фильтрах или полное их исчезновение в результате вые-
дания заметно макроскопически.
Опыт по выявлению выедания почвенных водорослей энхитреида-
ми проводят следующим образом. В чашки Петри помещают по 5 г
почвы, увлажненной до пастообразного состояния. Через два дня чаш-
ки с почвой стерилизуют при 1,5 атм 45 мин. На приготовленные таким
образом почвенные пластинки помещают мембранные фильтры (с диа-
метром пор менее 1 мкм), на которые наносят по 1 мл суспензии во-
дорослей (представителей родов Chlor el la или Chlamydomonas) с ра-
нее установленным титром. В опытные чашки с фильтрами помещают
238
по три особи энхитреид, в контрольные — водоросли или энхитреиды
отдельно. Чашки инкубируют при освещении 1300 лк. Через 2—3 нед
учитывают количество водорослей на фильтрах. Массу водорослей
снимают с поверхности фильтра, разбивают с помощью гомогенизато-
ра и подсчитывают в камере Горяева. Чтобы иметь представление не
только о численности съеденных водорослей, но и об их биомассе, оп-
ределенный объем суспензии водорослей с установленным титром
фильтруют через заранее взвешенные бумажные фильтры. Фильтры
высушивают при 105° и определяют абсолютно сухой вес водорослей.
Затем подсчитывают вес одной клетки водорослей и проводят пере-
счет численности съеденных клеток на биомассу. Количество энхитре-
ид в почве учитывают путем тщательного просматривания под микро-
скопом МБС-1.
Методы исследования взаимодействия дождевых червей с микро-
организмами. Взаимодействие почвенных беспозвоночных с микроор-
ганизмами исследуют обычно в системах: почва — экскременты; ки-
шечник животных — экскременты; почва — кишечник — экскременты.
Исследуют присутствие микроорганизмов в отдельных компонентах
перечисленных систем.
Существует метод исследования количественного и качественного
состава микрофлоры кишечника и экскрементов дождевого червя Lum-
bricus rubellus. Содержание кишечника и экскременты высевают (в ви-
де суспензии в воде) на соответствующие питательные среды, пред-
назначенные для учета основных систематических и физиологических
групп микроорганизмов.
Жизнедеятельность дождевых червей способствует развитию ам-
монифицирующих, нитрифицирующих микроорганизмов, анаэробных
азотфиксаторов, активизируются целлюлозоразрушающие микроорга-
низмы.
Исследования экскрементов Lumbricus rubellus выявляет, как пра-
вило, в 3 раза больше бактерий, растущих на МПА, в 4 раза больше
бактерий, растущих на крахмало-аммиачном агаре, в 6 раз больше
актиномицстов, в 2—15 раз больше грибов по сравнению с почвой.
Методы исследования взаимоотношений энхитреид с микроорга-
низмами. Обычно исследуют кишечник животных и почву, в которой
обитают энхитреиды. Производят высев содержимого кишечника на
плотные питательные среды. Для этого 1 г содержимого кишечника
растирают в ступке, помещают в пробирку с 10 мл стерильной водо-
проводной воды, размешивают стерильной стеклянной палочкой до по-
лучения гомогенной суспензии и производят посев. Для сбора экскре-
ментов животных выдерживают в экспериментальных сосудах 6 дней,
после чего приготавливают суспензии экскрементов и делают посев.
Для изучения процессов разложения растительных остатков и сук-
цессии микроорганизмов в экскрементах энхитреид анализируют экс-
кременты в течение месяца с первого дня после их выброса. В кишеч-
нике. и экскрементах энхитреид особенно усиливается процесс аммо-
нификации, о чем свидетельствует увеличение численности аммонифи-
цирующих микроорганизмов.
239
Методы исследования взаимоотношений диилопод с микроорганиз-
мами. Связи диилопод с микроорганизмами выявляют методом содер-
жания животных на опаде растений и сравнительного исследования
микроорганизмов в опаде, кишечнике животных и их экскрементах.
Производят посевы на плотные питательные среды из суспензии содер-
жимого кишечника, экскрементов и почвы, как описано ранее.
В кишечнике диплопод осуществляются начальные стадии мине-
рализации органических соединений азота. Процессы разложения ор-
ганического вещества углубляются в экскрементах, происходит даль-
нейшая минерализация органического вещества, увеличивается актив-
ность микроорганизмов, живущих за счет органического и минераль-
ного азота. В кишечнике, и особенно в экскрементах диплопод, усили-
вается по сравнению с подстилкой процесс разложения клетчатки мик-
собактсрпями.
Методы исследования взаимоотношений почвенных беспозвоночных
с макро- и микромицетами. Для выяснения взаимоотношений между
колл ем болами, эихитреидами, дождевыми червями, с одной стороны,
и грибами — с другой, в чашки Петри с сусло-агаром и культурой гри-
ба «подсаживают» животных. Затем прослеживают поведение живот-
ных на культуре грибов. Отмечают притягательность мицелия, его пое-
даемость, подвижность животных, возможность завершения цикла и
рост (линьки), смертность животных. Отношения почвенных беспозво-
ночных и грибов могут быть различными.
1. Антагонистические — мицелий, выделяя вредные продукты об-
мена веществ, губительно воздействует на животных. В отдельных
случаях ядовит мицелий самих грибов и беспозвоночные погибают в
результате кратковременного питания мицелием или простого сопри-
косновения с мицелием.
2. Мицелий пригоден для периодического питания беспозвоночных
и может служить в качестве части их нищи.
3. Мицелий обеспечивает развитие животных и может служить
единственным источником питания длительное время.
В случае антагонизма подсаженные на мицелий гриба животные
спешно его покидают, а при наиболее сильном воздействии — остают-
ся парализованными. Живые экземпляры концентрируются в самом
дальнем от гриба месте чашки или пытаются скрыться в агаре, про-
едая в нем ходы и «колодцы». Такая реакция наблюдается у коллем-
бол и энхитреид при соприкосновении с грибами — моховиком желто-
бурым, лисичкой настоящей, чесночником, некоторыми микромицетами
(Allernaria tenuis, Penicilliutn cyclopiuni). Дождевые черви парализу-
ются при высаживании их на чашку с пятнами мицелия масленка лис-
твенничного.
Для демонстрации второго типа взаимоотношений на мицелий му-
хомора красного, березовика, свинушек толстой и тонкой, белого гриба
и козляка подсаживают личинки Collembolla. Беспозвоночные в этих
условиях существуют 10 — 15 дней и питаются довольно интенсивно ми-
целием. У беспозвоночных все это время, кроме последних дней, со-
храняется подвижность. Дождевые черви в течение длительного вре-
240
мели способны переносить присутствие мухомора красного и Fusarium
oxysporum, ио не питаются ими.
Для демонстрации третьего типа взаимоотношений беспозвоноч-
ных и грибов на мицелий лаковицы розовой, строфании Борнемана,
строчка обыкновенного, дождевика шиповатого подсаживают коллем-
бол. Беспозвоночные чувствуют себя хорошо в течение длительного
времени, практически они могут жить на диете этих грибов, линять,
размножаться.
Дождевые черви и энхитреиды, как правило, не употребляют в
пишу высших грибов. Коллемболы и личинки двукрылых активно пи-
таются мицелием многих грибов.
Для исследования возможности распространения мицелия и спор
грибов с экскрементами животных последних стерилизуют стрептоми-
цином с поверхности и пересаживают в чашки Петри со стерильным
сусло-агаром. Затем прослеживают рост грибов на питательной среде.
Споры Penicillium cyclopium и Fusarium oxyspurum, попадая в кишеч-
ник вместе с гифами в процессе питания, активно переносятся живот-
ными через экскременты. Споры Aliernaria tenuis перевариваются в
кишечнике коллемб-ол и личинок Sciaridae. Опыты по пересадке жи-
вотных с отмытой, но пе простерилизованной поверхностью тела по-
казали, что мицелий грибов активно распространяется животными.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВ
Биологическую активность почв определяют с помощью микро-
биологических и биохимических методов. К микробиологическим мето-
дам относятся аппликационные и методы определения численности мик-
роорганизмов разных систематических и физиологических групп. К био-
химическим -относятся методы определения дыхания и ферментативной
активности почвы.
Описаны методы определения в почве активности ферментов ок-
сидоредуктаз и гидролаз («Методы почвенной микробиологии и био-
химии». М., 1980). Наиболее простыми по выполнению являются методы
определения активности дегидрогеназ и инвертазы.
Для определения активности дегидрогеназ в почве в качестве ак-
цептора водорода применяют бесцветные соли тетразолия (2,3,5-три-
фенилтетразолий хлористый, ТТХ), которые восстанавливаются в крас-
ные соединения формазанов (трифенилформазан, ТФФ). Навеску воз-
душно-сухой почвы 1 г помещают в 50-миллилитровую вакуумную колбу
с притертыми стеклянными пробками, добавляют 10 мг углекислого
кальция и тщательно смешивают. Затем добавляют 1 мл 1%-ного рас-
твора ТТХ. Определение проводят в анаэробных условиях, для этого
воздух из колбы эвакуируют при разряжении 10—12 мм рт. ст. в те-
чение 2—3 мин. Колбы осторожно встряхивают и ставят в термостат
при 38° на 24 ч. Контролем служит стерилизованная почва (180° в те-
чение 3 ч) и субстраты без почвы.
После окончания инкубации в колбы добавляют по 25 мл этило-
вого спирта и встряхивают в течение 5 мин. Содержимое колбы фнль-
241
Рис. 82. Грибы амилолитического сообщества почв
Сверху вниз: Penicilliimi, Mucor, Coniothirium, Chaetomium
Слева — копидиеносцы и спорангии, справа — конидии и спорангио-
споры. (Фою в СЭМ В. С. Гузева)
труют и полученный раствор ТФФ колориметрируют на фотоэлектро-
колориметре, используя кюветы шириной 5 мм и синий светофильтр
с длиной волны 500—600 нм. Количество формазана в мг рассчитывают
по стандартной кривой. Для составления калибровочной кривой гото-
вят стандартный раствор формазана в этиловом спирте (0,1 мг в 1 мл),
затем в мерные колбы на 25 мл берут соответствующее количество
стандартного раствора, содержащее от 0,1 до 1,0 мг формазана, эта-
нолом доводят до метки и фотоколориметрируют согласно вышеописан-
ному способу. Активность дегидрогеназ выражают в мг ТФФ на 10 г
почвы за сутки. Ошибка определения.— до 8%.
Фотоколориметрический метод определения активности инвертазы
заключается в следующем. В колбу емкостью 50 мл помещают 5 г
почвы, добавляют 10 мл 5%-кого раствора сахарозы, 10 мл ацетатного
буфера (pH 4,7) и 5—6 капель толуола. Колбы закрывают пробками,
встряхивают и помещают в термостат при температуре 30° на 24 ч,
периодически встряхивая их. Контроль — стерилизованная почва (3 ч
при 180°) и чистый субстрат.
После инкубации содержимое колб фильтруют в 100-миллилитро-
вые мерные колбы. Из фильтра берут 6 мл в большие пробирки, до-
бавляют 3 мл ссгнетовой соли и 3 мл раствора сернокислой меди,
хорошо перемешивают, и кипятят на водяной бане в течение 10 мин.
Затем пробирки с раствором охлаждают в холодной воде, содержимое
переносят в центрифужные пробирки и центрифугируют в течение 5—
7 мин при 3000 об/мин. Прозрачный центрифугат колориметрируют
на фотоэлектроколориметре (светофильтр — 630 нм), кюветы шириной
1 см. Количество глюкозы рассчитывают по предварительно составлен-
ным калибровочным кривым. Исходный стандартный раствор — 6 мг
глюкозы в 1 мл. Активность инвертазы выражают в мг глюкозы на
1 г почвы за сутки. Ошибка определения -— до 5%.
Один из новых методов — метод инициированного сообщества поч-
венных организмов. С помощью сканирующего электронного микроско-
па в сочетании с классическими методами микробиологии изучают
структуру и особенности инициированного субстратом сообщества поч-
венных микроскопических обитателей, отмечают доминирование и со-
отношение отдельных групп бактерий, актиномицетов, грибов, водоро-
слей, простейших и микроскопических беспозвоночных животных.
Метод заключается в следующем. Исследуемую почву в воздуш-
но-сухом состоянии растирают в ступке, предварительно удалив круп-
ные корешки, просеивают через сито 1 мм, увлажняют дистиллирован-
ной водой до 60% от полной влагоемкости и тщательно перемешивают.
Пастообразную массу почвы вносят в маленькие чашки Петри до краев
и слегка уплотняют шпателем так, чтобы образовалась ровная поверх-
ность. На тонкий слой крахмала осторожно накладывают два чистых
листа бумаги так, чтобы расстояние между ними было 1 см; чашку с
почвой переворачивают и прикладывают на 1 с к образовавшейся полос-
ке. Лишнее количество крахмала сдувают сжатым воздухом так, что-
бы па почве осталась тонкая полоска не более двух-трех слоев крах-
мальных зерен. Чашки с почвой помещают в другие чашки большего
242
Рис. 83. Почвенные диатомовые воцоросли Pennatae и Centricae (че-
тыре верхних снимка) и раковинные корненожки Centropyxis, Euglypha
и Corytion в сканирующем электронном микроскопе. (Фото В. С. Гу-
зева)
Рис. 84. Почвенные беспозвоночные животные и микроорганизмы ами-
лолитического сообщества почв.
4 верхних снимка —- нематоды отряда Tylenchidae и актииомицеты
на их поверхности (стрелка на левом снимке указывает место, увели-
ченное на правом снимке); 4 нижних — клещ Acaridae и его пйиа,
справа — бактерии на поверхности (см. стрелки) (Фото В. С. Гузева).
ЛИТЕРАТУРА
Ар истов ска я Т. В. Микробиология подзолистых почв. М.—Л., 1965.
Ар и сто век а я Т. В. Микробиология процессов почвообразования. Л., 1980.
Бабьева И. П., Агре Н. С. Практическое руководство по биологии почв.
М„ 1971.
Бабьева И. П., Голубев В. И. Методы выделения и идентификации
дрожжей. М., 19*79.
Большой практикум по микробиологии. Под ред. Г. А. Сслибера. М., 1965..
Будыко М. И. Глобальная экология. М., 1977.
Васильков Б. П. Очерк географического распространения шляпочных гри-
бов в СССР. М., 1955.
В е р п а д с к и й В. И. Живое вещество. М., 1978.
Виноградский С. Н. Микробиология почвы. М., 1953.
Гиляров М. С. Зоологический метод диагностики почв. М., 1965.
Гиляров М. С. Почвенная зоология.— Природа, 1976, № 6.
Гиляров М. С. Зоологическая мелиорация почв.— Природа, 1976, № 10.
Гиляров М. С., П с р е л ь Т. С. Экология почвенных беспозвоночных. М.,
1973.
Гиляров М. С., С т р и г а н о в а Б. Р. Роль почвенных беспозвоночных в
разложении растительных остатков и круговороте веществ.— Зоология беспозвоноч-
ных, 1978’, т. 5.
Г и л я р о в М. С., Ч е р н о в Ю. И. Почвенные беспозвоночные в составе сооб-
ществ умеренного пояса.— В кн.: Ресурсы биосферы. Л., 1975.
Гол л ер бах М. М., Штина Э. А. Почвенные водоросли. Л., 1969.
Заварзин Г. А. Литотрофпые микроорганизмы. М., 1972.
Заварзин Г. А. Водородные бактерии и карбоксидобактерий. М., 1978.
Заварзин Г. А. Микробиология двадцать первому веку.— Знание. Сер. биол.,
1981, № 1.
Звягинцев Д. Г. Взаимодействие микроорганизмов с твердыми поверхно-
стями. М., 1973.
Звягинцев Д. Г. Некоторые концепции строения и функционирования ком-
плекса почвенных микроорганизмов.— Вести. Моск, ун-та. Сер.- почвовед., 1978,
вып. 4.
Илялетдипов А. Н. Микробиологические превращения азотсодержащих со-
единений в почве. Алма-Ата, 1976.
Камшилов М. М. Биотический круговорот. М., 1970.
Кондратьева Е. Н., Гогот о в И. Н. Молекулярный водород в метабо-
лизме микроорганизмов. М„ 1981.
Кононова М. М. Формирование гумуса в почве и его разложение.— Успехи
микробиологии, 1976, т. 11.
Красильников Н. А. Микроорганизмы почвы и высшие растения. М., 1958.
Красильников Н. А. Лучистые грибки. М., 1970.
Кри во луцкий Д. А. Панцирные клещи в почвах СССР. Автореф. докт.
дисс. М., 1976.
247
Кури ев а Г. Ф. Роль почвенных животных в разложении и гумификации
растительных остатков. М., 1971.
Летунов а С. В., Ковальский В. В. Геохимическая экология микроорга-
низмов. М., 1978.
М а л a ш е и к о Ю. Р., Романовская В. А., Тропе и к о Ю. А. Метан-
окнсляющие микроорганизмы. М., 1978.
Методы почвенно-зоологических исследований. М., 1975.
Методы почвенной микробиологии и биохимии. М., 1980.
Микробные сообщества и их функционирование в почве. Киев, 1981.
М и р ч и и к Т. Г. Почвенная микология. М., 1976.
Мишустин Е. Н. Микроорганизмы и продуктивность земледелия. М., 1972.
Мишустин Е. Н. Ассоциации почвенных микроорганизмов. М., 1975.
Мишустин Е. Н., Емцев В. Т. Микробиология. М., 1978.
М и ш у с т и и Е. Н., П е р ц о в с к а я М. И., Горбов В. А. Санитарпая мик-
робиология почвы. М„ 1979.
Мишустин Е. Н., Шильникова В. К. Биологическая фиксация атмо-
сферного азота. М., 1968.
И и к и т и н Д. PL, И и к и типа Э. С. Процессы самоочищения окружающей
среды и паразиты бактерий (род Bdcllovibrio). М., 1978.
Ни кол ю к В. Ф., Гельцер Ю. Г. Почвенные простейшие СССР. Ташкент,
1972.
Н и к о л ю к В. Ф., Тапильская Н. В. Роль простейших в почвенных про-
цессах. Ташкент, 1976.
Одум Ю. Основы экологии. М., 1975.
Не рель Т. С. Распространение и закономерности распределения дождевых
червей фауны СССР. М., 1979.
Почвенная микробиология.—В кн.: Со. трудов Ротамстедской станции. Под
ред. Д. И. Никитина. М., 1979.
Пошон Ж-, Г. де Б а р ж а к. Почвенная микробиология. М., 1960.
Проблемы и методы биологической диагностики и индикации почв. М., 1976.
Рассел Э. Почвенные условия и рост растений. М., 1955.
Родин Л. Е„ Базилевич Н. И. Динамика органического вещества и био-
логический круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности
земного шара. М.—Л., 1965.
Роль микроорганизмов в круговороте газов в природе. М., 1979.
Руссель С. Микроорганизмы и жизнь почвы. М., 1977.
С г е и и и е р Р., Эдельберг Э., Ингрэм Дж. Мир микробов, т 1—3. М.,
1979
Сушкина И. Н., Цюрупа И. Г. Микрофлора и первичное почвообразова-
ние. М., 1973.
Теппер Е. 3. Микроорганизмы рода Nocardia и разложение гумуса. М., 1976.
Теппер Е. 3., Шильникова В. К-, Переверзева Г. И. Практикум по
микробиологии. М., 1979.
Тиш л ер В. Сельскохозяйственная экология. Поц ред. М. С. Гилярова. М.,
1971.
Федоров В. Д., Гильманов Т. Г. Экология. М., 1980.
Чернов Ю. И. Природная зональность п животный мир суши. М., 1975.
Чернова Н. М. Экологические сукцессии при разложении растительных
остатков. М., 1977.
Шлегель Г. Общая микробиология. М„ 1972.,
Штина Э. А. Методы изучения почвенных водорослей. Киров, 1981.
Штина Э. А., Го л л ер б ах М. М. Экология почвенных водорослей. М.,
1976.