Распределение микроорганизмов в почве

25.06.2014

Вопрос о том, как распределяются микробные клетки в почве, в литературе освещен недостаточно. Мы почти ничего не знаем о том, где локализуются эти организмы.
Обычно полагают, что клетки микробов распределяются в почве равномерно, диффузно пронизывая все поры. Поэтому при количественном учете отдельных групп и видов бактерий ограничиваются часто двумя-тремя, а нередко одним анализом почвы.
Такое представление не соответствует действительности и данные единичных анализов приводят к ошибочным выводам относительно закономерности распространения отдельных видов микроорганизмов в почвах.
Наши исследования показывают, что клетки бактерий распределяются в почвах не диффузно, а отдельными, более или менее ограниченными очагами. В каждом очаге - крупном или мелком разрастаются и концентрируются клетки одного вида или нескольких неантагонистичных видов. Микробы, особенно бактерии и микобактерии, обитают в почвах колониями.
Очаговый характер распределения бактерий в почве подтверждается повседневной практикой микробиологических исследований почв. Известно, что один и тот же вид, например азотобактер, на одном и том же поле, в одних почвенных образцах обнаруживается, в других нет. Если с одного гектара почвы взять в разных точках 100—200 образцов и подвергнуть их анализу, то азотобактер может быть найден не во всех образцах, что зависит от плотности его населения. Последняя определяется состоянием почвы. В почвах плодородных, богатых перегноем, хорошо окультуренных азотобактер распределен густо и обнаруживается во всех образцах. В почвах бедных, мало плодородных или целинных он встречается редко, в отдельных образцах.
В окультуренной почве серозема Средней Азии под 3-летней люцерной азотобактер обнаруживался нами во всех 200 образцах, взятых с одного гектара. В почвах целинных мы нашли этого микроба только в трех образцах (из двухсот обследованных), а в почве первого и второго года вспашки (слабо окультуренных) — в 45—85 образцах. Такие же результаты отмечались нами при обследовании почв Заволжья (каштановых и др.) и почв дерново-подзолистой зоны. Почвы Московской области, вышедшие из-под леса пять — десять лет назад и находившиеся под разными культурами растений, не содержали азотобактера. Мы не обнаружили его ни в одном образце из 1250 обследованных. В огородных почвах данный микроб был найден почти во всех образцах из 400 обследованных. В полевых, хорошо окультуренных почвах азотобактер обнаруживался в 60% проб из 860 обследованных.

Чтобы точнее установить степень частоты очагового распределения азотобактера в почвах, мы провели на подмосковных опытных станциях следующие исследования: на трех полях с различной степенью насыщенности азотобактером были намечены делянки площадью около одного гектара каждая. На этих делянках по диагонали выделялось по 3 однометровых участка, которые подвергались подробному микробиологическому анализу. Для этого они разбивались на 100 квадратиков и из каждого брались пробы по 15—20 г. Всего с каждой делянки обследовалось триста проб. Результаты анализов сведены в табл. 26, а план распределения азотобактера в однометровых участках по квадратикам изображен на рис. 54.

Эти данные показывают, что даже в огородных почвах, хорошо обрабатываемых, систематически удобряемых навозом, компостом и минеральными элементами питания, азотобактер обнаруживается не во всех образцах. Из 100 проб, взятых с однометровых участков, он был обнаружен в 90—96. В полевых почвах с хорошей и давней окультуренностью, часто удобряемых навозом, число проб с азотобактером равнялось 34—60, а в слабо и недавно окультуренных почвах (вышедших пять — десять лет назад из-под леса) он обнаруживался в 8—16 пробах из 100.
Если проанализировать один и тот же образец более подробно, то в нем выявляются мелкие очаги размещения клеток азотобактера. Из лабораторной практики известно, что когда навеску почвенной пробы раскладывают мелкими комочками на Эшби-агар или гелевые пластинки, то часто далеко не все они зарастают азотобактером. Процент прорастания почвенных комочков различен — от 100 до 0%, в зависимости от почвы (рис. 55). Метод раскладывания комочков для выявления азотобактера и некоторых других видов бактерий (нитрификаторов, разрушителей клетчатки и пр.) широко применяется в микробиологической практике.
Нами были подвергнуты анализу образцы хорошо окультуренной почвы того же поля, которое было объектом предыдущих исследований. Образцы брались на однометровых участках в виде монолитиков.
От каждого образца (хорошо размешанного) отвешивались для анализа по пять проб каждая весом 0,1 г. Навеска почвы разбивалась на 100 мелких комочков, которые раскладывались на Эшби-агар в чашки Петри. С каждого из обследуемых участков исследовалось по пять образцов. Результаты приведены в табл. 27.

Данные, приведенные в табл. 27, показывают, что даже в небольших порциях почвы азотобактер локализован очагами. Количество микроочагов с азотобактером в таком комочке определяется степенью заселенности микробами и другими факторами. В исследованных нами образцах почв комочки весом в 0,1 г имели в одних случаях от 21 до 99, в других — от 0 до 3—5 микроочагов обитания азотобактера (рис. 55).

Следует отметить, что эти очаги настолько малы, что не разрушаются при обычном механическом раздроблении почвенных образцов. В своих опытах мы тщательно перемешивали образцы почв и все же не достигали равномерного распределения клеток азотобактера. Микроочаги его обитания не разрушались или разрушалось небольшое их число. Процент прорастающих комочков был почти равен проценту прорастания комочков почв, не подвергавшихся специальному механическому дроблению. В раздробленных навесках насчитывалось 50—60 микроочагов азотобактера, а в неперемещенных — 30—50. Только тогда, когда почва растиралась в пылевидное состояние, очаги обитания азотобактера разрушались.
Описанная очаговость распределения и скопления клеток азотобактера характерна и для других бактерий. Она отчетливо выявляется у нитрификаторов, разрушителей клетчатки, клубеньковых бактерий, микобактерий и других. Менее отчетливо она выражена у грибов и актиномицетов вследствие их биологических особенностей. Риппель-Балдес наблюдал очаговое развитие гриба Aspergillus niger в почве. В однометровых делянках он находил этот гриб только в 14 квадратиках из 100 исследованных.
Очаговые скопления микробных клеток в почвах можно видеть непосредственно под микроскопом, пользуясь методом Росси — Холодного. Для этого стеклянные пластинки (предметные стекла) погружаются в почву и через некоторое время на их поверхности нарастают микробы — бактерии, актиномицеты, грибы, дрожжи и пр.
Мы находили колонии, состоящие из нескольких клеток с размером не более 10 μ. Встречаются скопления, занимающие площадь с поперечником 100 μ и больше. Чаще обнаруживаются колонии средних размеров диаметром 20—70 μ, состоящие из нескольких десятков клеток (рис. 56).

В своих исследованиях мы наблюдали образование колоний азотобактера, спороносных и неспороносных бактерий. Часто можно видеть образование колоний микобактерий, проактиномицетов и актиномицетов (рис. 57). У актиномицетов при этом формируются спороносцы с хорошо развитыми спорами. Нередко актиномицетные гифы в таких колониях расчленяются на палочковидные и кокковидные клетки, точно так же, как это наблюдается у проактиномицетов на искусственных питательных средах.
Частота формирования колоний на стеклах обрастания зависит от свойств почвы. Чем богаче она органическими веществами, тем обильней развиваются колонии. Особенно много колонии образуется в ризосфере растений. На стеклах обрастания вокруг тонких окончании корней и вокруг корневых волосков бактерии и микобактерии либо сосредоточиваются сплошным слоем, как это отмечалось нами ранее, либо отдельными очагами, бесформенными кучами и оформленными колониями.

Образование колоний в почве отмечают в своих работах Холодный, Кубиена, Росси, Виноградский и др. На приведенных ими микрофотографиях довольно хорошо очерчены скопления бактерий, актиномицетов и грибов.
Само собой разумеется, что наряду с колониями на стеклах обрастания видны изолированные клетки бактерий, которые, по-видимому, появляются в результате нарушения целостности колоний во время обработки препаратов. Картина распределения микробов в почве хорошо видна под микроскопом в ультрафиолетовом свете, особенно после обработки почвенных монолитиков акридин-оранжем. Отдельные клетки и колонии бактерий актиномицетов и грибов четко выделяются, светясь, в основном, зеленым светом. Лишь немногие клетки светятся красным светом. Этим методом нами были обследованы разные почвы и всюду был получен положительный результат.
В тех случаях, когда поры содержат воздух, колонии грибов и актиномицетов образуют гифы плодоношения.
В крупныx порах при наличии благоприятных условий микробы размножаются и накапливаются в больших количествах, чем в порах мелких. Бактерии, грибы и актиномицеты могут проникать через капилляры в соседние поры.
Некоторые исследователи полагают, что в очень мелкие поры почвы микробы не проникают. Выше указывалось, что среди микробного мира имеются организмы ультрамикроскопических размеров, лежащие на пределе и за пределами видимости в оптические микроскопы (0,05—0,1 μ). К ним относятся фаги (бактериофаги и актинофаги), фильтрующиеся формы бактерий, затем некоторые клеточные элементы, так называемые L-формы, особые зародышевые тельца (регенеративные и пр.) обычных видов бактерий и актиномицетов и, наконец, мелкие клетки отдельных организмов.
Исследования показывают, что через поры и мельчайшие капилляры могут проникать не только ультрамикроскопические живые существа, но и многие бактерии, а также актиномицеты нормальных размеров, имеющие в поперечнике 0,3—0,7 μ и даже более.
Как известно, при обычной фильтрации через свечи под давлением бактерии и актиномицеты не проходят сквозь стенки фильтров. На этом основана холодная стерилизация. В лабораторной практике для подобных целей чаще всего пользуются бактериальными фильтрами Беркефельда (L3, L5), Шамберлана (N), Зейца или мембранными фильтрами с порами определенного размера.
Если такие фильтры заполнить жидкой взвесью бактерий и погрузить в питательный раствор (МПБ или др.), то через некоторое время инкубации при 25—37° клетки проникнут через их стенки и будут развиваться снаружи. В наших опытах через указанные фильтры проникали Bact. coli, Bact. prodigiosum, Ps. aurantiaca, более крупные спороносные виды — Вас. mycoides, Вас. mesentericus, Вас. megatherium, актиномицеты: A. violaceus, A. coelicolor и A. globisporus.
Кроме того, бактерии, актиномицеты и грибы в процессе роста сравнительно легко проникают через мелкопористые глины. Мы испытывали глины естественного залегания подстилающих пород подмосковных полей. Образцы глин помещались в чашки Коха, увлажнялись водой, равномерно перемешивались и распределялись слоем в 1,5—2,0 см. В центре делалось углубление — лунка, в которую вносились бактерии. Через определенные сроки инкубации при 25 или 37° на разном расстоянии от края лунки брались пробы на анализ. Опыты проводились в стерильных и нестерильных условиях. В нестерильных опытах использовались легко распознаваемые виды микробов — Bact. prodigiosum, Ps. aurantiaca, Bact. coli, Az. chroococcum, Вас. mycoides, Act. violaceus. B стерильных опытах, кроме перечисленных видов, применялись Вас. mesentericus и Ps. fluorescens. Результаты опытов сведены в табл. 28.

Как видно из приведенных данных, скорость прорастания и продвижения бактерий и актиномицетов не одинакова у различных микробов и изменяется в зависимости от свойств глины. С наибольшей скоростью продвигаются нити мицелия актиномицетов. Быстро прорастают некоторые неспороносные бактерии. Слабо прорастают клетки кишечной палочки и наиболее медленно — спороносные бактерии Вас. mycoides.
Клетки микробов продвигаются через мелкие поры естественных и искусственных субстратов не механически, не под воздействием силы внешнего давления, как это имеет место при фильтрации, а вследствие прорастания. Клетки мертвые не проникают через фильтры. He отмечается продвижения клеток или оно очень слабое, когда свечи с живыми бактериями погружены в чистую воду.
Чем интенсивней растут микробы, тем быстрее они проникают через мелкие поры и капилляры. Оптимальная для роста и размножения клеток температура является наиболее благоприятной и для прохождения их через мелкие поры. При температуре 5—7° Bact. coli и Bact. prodigiosum размножаются очень слабо и проникают через свечи Шамберлана в течение 60—80 часов. При температуре 25° этот период сокращается до 20— 30 часов.
Продвижение микробов в глине ускоряется, если внести в нее органическое вещество, например, мясопептонный бульон или сахарозу. Для этого в пластинке глины, приготовленной, как и в предыдущем опыте, делалась лунка, а на некотором расстоянии от нее — продолговатое углубление. В лунку вносились бактерии (водная взвесь), а в углубление — питательный раствор указанных веществ. Было обнаружено, что культуры микробов — Вас. mycoides, Bact. prodigiosum, Ps. aurantiaca и A. coelicolor продвигались к источникам питания значительно быстрее, чем в контрольных опытах. За одни сутки Bact. prodigiosum продвинулся на 1,5—2,0 см в контроле, на 3,0—3,5 см в присутствии МПБ и на 2,5—3,0 см при добавлении сахарозы; Вас. mycoides в контроле проник на 0,7 см, а в присутствии МПБ на 1,5 см; Ps. aurantiaca — на 2,0 см в контроле и на 3,0—4,0 см в опыте. Продвижение актиномицетов в присутствии органических веществ было на 1,0—1,5 см большим, чем в контроле. Наряду с этим следует отметить, что степень проницаемости мелкопористых субстратов зависит также от целого ряда внешних факторов — таких, как pH среды, аэрация, состав почвенного раствора. Словом, все то, что способствует росту и размножению клеток, ускоряет и прорастание субстрата.
Таким образом, полученные в опытах данные устанавливают возможность проникновения клеток микроорганизмов в природных условиях через мельчайшие почвенные скважины.
В почве, по-видимому, нет таких промежутков, которые были бы недоступны для микробов.