Наумова Н.Б.

Почвенные микроорганизмы

Сравнительные исследования  последовательностей генов рибосомальной РНК малой субъединицы  рибосом (16S рРНК у прокариот или 18S рРНК у эукариот) показали, что все жизненные формы на земле принадлежат к 3 основным  надцарствам, или в английской литературе доменам – Bacteria, Eucarya и Archaea.  На основании анализа этих генов и построения соответствующих филогенетических деревьев было показано, что основное видовое богатство, т.е. число различных видов на Земле, является микробиологическим. При этом  почва содержит больше родов и видов бактерий, чем любое другое местообитание.

Археи

Это одноклеточные организмы микроскопических размеров с примитивной  организацией ядерных структур.  Раньше считали, что археи  живут в различных экстремальных местообитаниях (горячих источниках, соленых водоемах и т.п.), или же осуществляют метаногенез в анаэробных местообитаниях (почвах, кишечниках животных), однако в последнее время было выявлено, что археи широко распространены по всем экосистемам планеты и встречаются в почвах всех наземных экосистем, в водных экосистемах и донных отложениях.      

Археи – самые древние живые организмы на земле. Несомненно, что их появление и жизнедеятельность сыграли огромную роль в формировании и эволюции биогеосистем планеты.

В почвах археи составляют до 1-3% от видового богатства  прокариотического сообщества, т.е. одноклеточных организмов с «простой» организацией ядра клетки. В последнее десятилетие нетермофильные археи были выявлены в самых разнообразных  почвах - сельскохозяйственных под посевом сои, риса,  торфяниках, в почвах бореальных лесов и пастбищных лугов умеренного пояса и других. В почвах, загрязненных тяжелыми металлами, археи практически исчезают из сообщества.

Бактерии

Это также микроорганизмы с примитивной организацией ядерных структур.  Как живые формы, не различимые невооруженным глазом, бактерии были обнаружены в конце 17 века, когда ван Левенгук построил первый микроскоп. Хотя открытие Левенгука вызвало в свое время огромный интерес, за последующие 200 лет исследование бактерий мало продвинулось вперед.  В конце 19 века исследованиями Пастера, Фердинанда Кона, Роберта Коха и других было открыто огромное количество бактерий, крайне различных по форме, размерам и функциям.

В среднем размер бактериальной клетки значительно менее 1 мкм (у представителей Veruccomicrobia – 0,1мкм).  

Уже по меньшей мере полвека  известно, что большая часть  интактных бактериальных клеток почвы, по-видимому, не могут расти  на стандартных лабораторных средах.  Это понимание основано на многочисленных попытках сравнить численность бактерий при прямом микроскопировании с количеством колоний растущих на лабораторных средах, то есть  так называемых колониеобразующих  единиц (КОЕ).

Таблица. Способность бактерий расти на лабораторных питательных средах (выраженная как процент от числа бактерий, определенного методом посевов, к общему числу бактериальных клеток, подсчитанному микроскопически)

И в настоящее время вопрос о том,   представляют ли те бактерии, которые мы можем выделить в лабораторных условиях,  экологически значимые виды  типично почвенных бактерий,  является исключительно важным. Поэтому таксономическая характеристика почвенных бактерий не была очень популярной темой до  80-х годов.

Наши знания о разнообразии микроорганизмов существенно улучшились за последние 2-3 десятилетия. В основном это произошло благодаря  молекулярно-биологическим филогенетическим исследованиям, которые позволяют объективно устанавливать степень родства различных организмов. Филогенетическое дерево,  основанное на знаниях о последовательностях генов, является той основой, с помощью которой можно более внятно сформулировать расплывчатую концепцию биоразнообразия.

И хотя  еще предстоит уточнить даже общие очертания филогенетического древа прокариот, начинают проявляться общие направления, которые заставляют  пересмотреть общие представления  о разнообразии прокариот и их распространении в окружающей среде.

За последнее десятилетие число выделяемых бактериальных отделов увеличилось более, чем в 3 раза (до 40), в значительной степени из-за неселективных молекулярно-филогенетических исследований сообществ, выделенных из различных образцов окружающей среды. Эти анализы основывались на 16S рРНК последовательностях, определенных после клонирования  выделенной ДНК, или после  ее амплификации в ходе ПЦР.  Древо филогенетических расстояний было построено при обработке данных о более, чем 8000 последовательностях генов 16S рРНК.  Хотя на этом рисунке вы видите всего 36 отделов, уже есть несколько последовательностей, отличающихся от этих, которые вполне возможно будут выделены в отдельные отделы. Т.е. строго говоря, даже сейчас число отделов перевалило за 40. Многие отделы имеют лишь рабочие названия.  Большая часть отделов содержат мало, или вовсе не содержат культивируемых представителей.

Еще традиционными методами культивирования было показано, что некоторые бактерии являются космополитами, т.е. очень широко распространены по самым различным биоценозам, в то время как другие бактерии строго ограничены определенным типом местообитание. Молекулярно-экологические методы в принципе подтвердили  и расширили это представление.

Например, последовательности  некоторые отделов были выявлены в широком спектре различных местообитаний, т.е. их обладатели, по всей видимости, являются космополитами и, что очень важно с точки зрения химической экологии, обладают широким спектром метаболических реакций.  Некоторые из таких отделов космополитов были хорошо известны и по традиционным исследованиям, другие же, например, недавно выявленный отдел  Acidobacterium, были мало или вообще неизвестны. Например, альфа-группа протеобактерий составляет более 75%  всех видов в почве, морских и пресных водоемах,  сточных водах, и от 25 до 75% в  подпочве,   в сильно загрязненных местообитаниях, в геотермальных источниках.  Если говорить про почву, то основные ее прокариотические обитатели относятся  к протеобактериям актинобактериям, веруккомикробы и ацидобактериям. Но и остальные также представлены.

Грибы

В почве встречаются практически все основные виды грибов – мы ходим по огромному количеству и большому физиологическому и морфологическому разнообразию почвенных грибов. Размеры их варьируют от  одноклеточных с сухим весом клетки  менее 1* 10^-12 грамма, в котором тяжи одного микроорганизма занимают площадь около 15 га и отдельный организм весит 1*107 грамма, т.е. 10 тонн (1992 год, журнал Nature).

Следует заметить, что трудно отделить собственно почвенные грибы от грибов, попадающих туда вместе с надземными частями растений, или компонентов лишайников.

Если в 1980 году было описано 450 видов грибов, то сейчас чуть менее 15 000 видов встречается в почве – это из общего числа в 1,5 млн видов грибов (1991).

Простейшие, нематоды и микроартроподы

Почвенная биота состоит из очень разноообразных и активных ансамблей организмов, регулирующих процессы разложения органического вещества  и круговорот питательных элементов и изменяющих физические свойства почвы. Пищевое поведение почвенных беспозвоночных влияет на функционирование бактерий и грибов и регулирует таким образом  потоки энергии и питательных элементов в детритных пищевых цепях.

Простейшие. К ним относятся голые амебы (20 мкм), инфузории (30 мкм), жгутиконосцы (10 мкм) и раковинные амебы (тестации, 100 мкм).  Простейшие составляют небольшой процент от всей биомассы почвенных беспозвоночных животных, они могут перерабатывать значительное количество поступающего в почву растительного вещества и большую часть биомассы бактерий и грибов. Роль  простейших в почвенных экосистемах можно суммировать как 1) регулирование  размеров и состава сообществ бактерий и грибов, 2) ускорение оборота  биомассы микроорганизмов, органического вещества и питательных элементов и 3) транспорт, т.е. распространение бактерий по новым микрозонам (субстратам).

Количество простейших в почве сильно  зависит от состава почвы  - в глинистой почве 10⁸, а в суглинистой – 200*10⁹ клеток/м², соответственно. С глубиной почвы их количество также снижается – от 10⁶ клеток/м² на глубине 10 см, до всего 100 клеток/м² на глубине около 1 м. Но они могут жить и на больших глубинах – жизнеспособные клетки обнаруживали на глубине 7 м от поверхности. Размеры их популяций сильно варьируют.

Нематоды. Размеры нематоды имеют такие же, как простейшие – 30-100 мкм. По общей биомассы нематоды обычно уступают простейшим. Нематоды играют очень важную роль в минерализации питательных элементов из растительного и почвенного органического вещества: они выделяют больше питательных элементов, чем простейшие. Вклад нематод в общую биомассу больше на песчаных почвах (0,6%), чем суглинистых или глинистых почвах (0,3-0,1% от общей биомассы микроорганизмов). Питаются бактериями и растениями.

Микроартропод имеют сегментированный экзоскелет, подобный насекомым; в почве встречаются коллемболы (до 5 мм) , клещи и протуры.  Плотность популяции может быть до 300 000 на м². До 95% от всех них составляют коллемболы и клещи.

Микроскопические  водоросли

Микроскопические водоросли  встречаются в тех местах на поверхности почвы, куда попадает достаточно световой энергии для осуществления фотосинтеза. В некоторых почвах водорослевые пленки являются основными поставщиками органического вещества в почву. Вокруг них формируются консорциумы микроорганизмов, потребляющих синтезированное ими органическое вещество.

Вирусы

По некоторым оценкам, общее число бактерий на планете составляет порядка 10³⁰, и по меньшей мере столько же насчитывается вирусов (бактериофагов), атакующих бактерии. В почве влияние вирусов на численность и состав прокариотического сообщества практически мало изучены. Однако вполне возможно, что паразитическая деятельность вирусов может иметь важное  значение для многих опосредуемых почвенными бактериями процессов биогеохимических циклов и, таким образом, в целом иметь глобальное значение (см. разделы про донные отложения и водные экосистемы). Фаги являются также очень важным инструментом переноса генетического материала, и предсказание их поведение в естественных экосистемах очень важно.