Постоянными обитателями почвы являются микробы
Микроорганизмы – древнейшие представители живых существ, появились на Земле, как считают специалисты, более трех миллиардов лет назад.
Большинство микроорганизмов – это невидимые невооруженным глазом одноклеточные (бактерии, актиномицеты, микоплазмы, риккетсии, спирохеты, простейшие) и многоклеточные (зеленые и сине – зеленые водоросли, несовершенные грибы), а также неклеточные (вирусы, фаги) формы.
В природе микроорганизмы распространены чрезвычайно широко.
Они обнаруживаются в большом количестве в почве, воде, в растительных и животных организмах. Токами воздуха заносятся в стратосферу на высоту более 20 км. Их находят в горячих гейзерах, нефтяных водах, на глубине более 10 км в морях и океанах.
Даже самые твердые скальные массивы населены различными организмами. Верхний слой скальных массивов, так называемая кора выветривания, насыщена бактериями и водорослями, микроскопическими грибами и актиномицетами, простейшими организмами, фагами, вирусами и пр.
В верхнем слое базальтовых пород насчитывается от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов на грамм субстрата. В условиях суровой Арктики на островах Северного Ледовитого Океана (Новая Земля, Северная Земля и др.) скальные породы содержат значительное число микроорганизмов.
О существовании на Земле невидимого мира чрезвычайно малых существ человечество существующей ныне цивилизации узнали немногим более трехсот лет тому.
Антонио Левенгук (1632 – 1723), будучи очень любознательным человеком, в свободное от основной работы время любил изготавливать и шлифовать стеклянные линзы. Рассматривая каплю дождевой воды при помощи сконструированного им микроскопа, обнаружил в ней массу маленьких живых существ, одни из которых были неподвижны, а другие активно двигались. Левенгук сделал зарисовки увиденного им при помощи микроскопа, а затем листы с рисунками и пояснительными записями предоставил в Королевское научное общество.
Вскоре и другими исследователями были обнаружены микроскопически малые живые существа были обнаружены в различных субстратах – в настое сенного отвара, в гниющем мясе, в крови больных животных и людей, а затем и в других материалах.
Почти двести лет с момента обнаружения микроорганизмов, микробиология оставалась лишь описательной наукой. Ученые открывали все новые и новые микроорганизмы, тщательно их описывали, зарисовывали их форму, но не могли объяснить какую роль они играют в природе, в жизни растительных и животных организмов, в том числе и в жизни человека.
Только во второй половине Х1Х века Луи Пастер (1822 – 1895), занимаясь проблемой скисания знаменитых марок французских вин, впервые доказал, что микробы принимают активное участие во многих процессах, происходящих в природе, в том числе в процессах брожения, круговорота веществ, являются возбудителями заразных заболеваний животных и человека.
Со времен Пастера микробиология начала усиленно развиваться и к настоящему времени изучены строение и свойства многих микроорганизмов, выяснена их роль в круговороте и превращении различных веществ в природе.
Основоположник биогеохимии В.И.Вернадский убедительно доказал, что биосфера сформировалась и развивалась в результате взаимодействия микроорганизмов, растений и животных, которые обеспечивали и обеспечивают непрерывный поток элементов в биогенном обмене веществ на нашей планете, включая элемент жизни – кислород.
Сам Луи Пастер говорил, что микробы – это бесконечно малые существа, играющие в природе бесконечно большую роль, и если бы они исчезли с лица планеты, то поверхность Земли была бы загромождена мертвыми органическими веществами.
Такие биологические особенности микроорганизмов, как малый вес, небольшие размеры и быстрое размножение способствуют переносу их токами воздуха на большие расстояния и накоплению их в большом количестве в различных субстратах.
Для них присущи высокая устойчивость к различным факторам окружающей среды, разнообразие физиологических свойств и большая приспосабливаемость к самым различным условиям обитания. Некоторые виды микроорганизмов обитают и размножаются в горячих источниках, температура воды в которых достигает более 800С, а другие – в холодных водах при минусовой температуре. Одни микроорганизмы живут и размножаются в соленых водах, другие – в щелочной среде. Микроорганизмы живут и размножаются там, где другие живые существа обитать не могут.
Со времен Левенгука и до наших дней постоянно идет процесс накопления данных о новых видах микроорганизмов, населяющих почву и недра, воздух и воду земли, обитающих в животных и растительных организмах.
Можно предположить, что первоначальной средой, в которой возникли, размножались и развивались микроорганизмы, была вода. Но когда на поверхности земной коры образовалась почва, постоянно обогащаемая органическими веществами, увлажняемая атмосферными осадками и обогреваемая солнечными лучами, она стала для микробов наиболее благоприятной средой обитания и их развития.
Микробное население почвы очень богато и разнообразно. Кроме бактерий в почве обитают в огромном количестве микроскопические грибы, актиномицеты, водоросли, фаги, вирусы, простейшие, микоплазмы, насекомые, черви и другие живые существа. Количество микробов в одном грамме почвы измеряется сотнями миллионов особей. Наиболее богата микроорганизмами окультуренная, возделываемая почва. Живая масса бактерий, грибов, актиномицетов и водорослей составляет свыше десяти тонн в пахотном слое одного гектара плодородных, хорошо окультуренных почв. Подсчитано, что общая масса микробных клеток на нашей планете примерно в 25 раз больше массы всех животных.
Наиболее бедной микроорганизмами является почва пустынь, где мало влаги и органических веществ. При этом, как по численности особей, так и по численности видов, преобладают бактерии, относящиеся по своим морфологическим, культуральным и биохимическим свойствам к различным физиологическим группам. Среди них имеются нитрифицирующие, азотфиксирующие, денитрифицирующие, целлюлозоразлагающие, железобактерии, серобактерии и др.
Микроорганизмы почвы играют очень важную роль в переработке значительного количества различных веществ – минеральных и органических. Они разрушают растительные и животные остатки, участвуют в процессах превращения продуктов их распада. При помощи микроорганизмов изменяется структура и химический состав почвы. Микроорганизмы, как биологические катализаторы, определяют основное свойство почвы – плодородие. Они синтезируют и выделяют разнообразные продукты метаболизма, которые входят в состав почвы, обуславливая ее плодородие. В процессе жизнедеятельности все население почвы производит биохимическую работу космического значения. Перерабатывая огромные массы органических и минеральных соединений, микроорганизмы непрерывно синтезируют новые органические и неорганические вещества.
Химическая деятельность микроорганизмов проявляется в непрерывном круговороте азота, фосфора, серы, углерода и других веществ. Микробиологические процессы круговорота азота имеют огромное значение как факторы оздоровления и плодородия почвы. Основные биохимические процессы круговорота азота состоят из нескольких этапов и участие в них принимают различные виды микробов.
В поверхностных слоях почвы находятся аэробные амонифицирующие бактерии родов Bacillus, Proteus, Escherichia, Pseudomonas, Serratia, нитрифицирующие, денитрифицирующие, азотфиксирующие, возбудители брожения клетчатки, пектина и др. В более глубоких слоях почвы располагаются микроорганизмы, вызывающие процессы брожения и гниения в анаэробных условиях.
В первом этапе разложения сложных органических соединений животного и растительного происхождения – гниении белков, сопровождающемся образованием зловонных, летучих соединений (индола, скатола, аммиака, сероводорода и пр.) принимают участие Proteus sp., Bac.subtilis, Bac.mesentericus, Bac.megatherium, Bac.sporogenes . На втором этапе – в разложении мочевины участвуют Sarcina urea, Urobacter pasteuri и др. В прцессах нитрификации и денитрификации участвуют Nitrosomonas europea, Bact.pyocyaneum, Bact.denitricans и др. Фиксация атмосферного азота осуществляется Bact.rodicicola, Azotobacter agifa, Azotobacter chroococcum и др.
Углерод, подобно азоту, имеет свой круговорот, при этом процессы распада безазотистых органических веществ обусловлены жизнедеятельостью микроорганизмов, а процессы созидательные – фотосинтезом зеленых растений. Круговорот углерода имеет отношение к разнообразным типам брожений, в которых участвуют различные микроорганизмы: в спиртовом – истинные дрожжи, мукоровые плесени; уксуснокислом – дрожжеподобные грибы Micoderma vini, Bact. Pasterianum; молочнокислом – Streptococcus lactis, Bact. Bulgaricum, E.coli, Bact.lactic и др; маслянокислом – Clostridium pasterianum; в брожении целлюлозы и пектиновых веществ – Granulobacter pectinovorum, Bac.cellulosa.
Сера составляет часть белка, участвует в круговороте веществ. Сероводород, образующийся при процессах гниения, ядовит для высших растений и непригоден для утилизации. Серобактерии рода Beggiatoa окисляют этот сероводород до серной кислоты и тем самым способствуют образованию солей серной кислоты (сульфатов), которые могут использоваться высшими растениями как питательный материал. Серобактерии играют важную роль в биологическом очищении сточных вод и являются показателями загрязнения воды и почвы.
Фосфор, входящий в состав животных и растительных организмов, в результате разложения микроорганизмами выделений, отмирающих частей и трупного материала, освобождается в виде фосфорной кислоты. Соли фосфорной кислоты. Соли фосфорной кислоты не пригодны для питания высших растений. Обитающий в почве Bac. mucoides, участвует в процессе преобразования нерастворимого фосфата в растворимую соль.
Железобактерии обеспечивают круговорот железа. К ним относятся представители родов Leptothrix, Crenothrix, Chlamidotrix, Cladotrix, Spirophyllum, Thiobacillus.
Железобактерии превращают находящееся в почве нерастворимое железо (Fe3) в растворимое (Fe2), доступное для усвоения растениями.
При нехватке железа нарушается состав гемоглобина у человека и животных, возникает анемия, у растений теряется способность образовывать хлорофилл, они теряют зеленую окраску и в результате у растений развивается заболевание – хлороз.
Все железобактерии являются постоянными обитателями почвы, водоемов, ключей, луж, болот, водопроводных труб. Среди них есть представители, обитающие в симбиозе с зелеными и сине – зелеными водорослями, с представителями простейших – жгутиковыми. В результате своей жизнедеятельности железобактерии переводят закисные формы железа в окисные, получая в результате этого энергию, которую используют для восстановления СО2. Эффект жизнедеятельности железобактерий чрезвычайно велик. Болдотная железная руда является продуктом жизнедеятельности железобактерий. Криворожское месторождение железной руды также является продуктом их жизнедеятельности.
Многие группы микроорганизмов, относящиеся к хемолитотрофам, фотоавтотрофам, гетеротрофам, участвуют в превращениях металлов с переменной валентностью.
В почве обнаруживаются различные активные вещества (ферменты, витамины, ауксины, антибиотики, токсины и многие другие соединения), являющиеся метаболитами микробов. Все эти вещества вместе с другими организмами придают почве свойства, отличающие ее от минеральной породы. Интенсивность жизненных процессов микробного населения определяет степень плодородия почвы. Интенсивность проявления биологических процессов зависит от климатических, географических условий, а также от времени года и многих других факторов.
Следует помнить и о том, что в почве обитают многие виды микроорганизмов, которые могут вызвать опасные инфекционные заболевания у растительных и животных организмов, в том числе и у людей. Среди них возбудители таких опасных заболеваний как сибирская язва, столбняк, газовая раневая инфекция, поверхностные и глубокие микозы, актиномикозы и другие.
Без учета деятельности микробного населения почвы невозможно решать многие проблемы связанные с почвоведением, медициной, земледелием, ветеринарией, животноводством, растениеводством.
Источник
Тема 10. Микрофлора почвы
Почва является естественной средой обитания многих микроорганизмов в природе, которые встречаются в слоях почвы различных поясов земного шара: от Крайнего Севера до тропиков. В ней микроорганизмы находят необходимые питательные вещества, влагу, кислород, также она защищает их от губительного воздействия прямых солнечных лучей и высыхания. Разнообразные микроорганизмы почвы обитают в водных и коллоидных пленках, которые обволакивают почвенные частицы.
Микрофлора почвы принимает активное участие в процессах формирования и самоочищения, а также в круговороте веществ в природе (азота, углерода, серы, железа и других соединений).
Количественный и видовой (качественный) состав микрофлоры почвы значительно изменяется в зависимости от региональных и климатических условий, времени года, температуры, химического состава и физических свойств ее влажности, реакции среды (рН), способа ее обработки и т. д. В песчаных и каменистых почвах, а также в почвах, лишенных растительности, микроорганизмов меньше, чем в пахотных и особенно удобренных почвах. Содержание микробов в почве увеличивается с севера на юг. Цвет и запах почве придают определенные виды актиномицетов и плесневых грибов.
Неодинаково микроорганизмы распространены и по слоям почвы. Мало микроорганизмов содержится в самом поверхностном слое толщиной несколько мм, где они подвергаются неблагоприятному воздействию факторов внешней среды: солнечному свету, высушиванию, повышенной температуре и др.
Где больше органических питательных веществ, там создаются лучшие условия для размножения микробов многих видов. Особенно обильно населен следующий, поверхностный слой почвы толщиной 5–20 см, в нем содержится максимальное количество бактерий. Большое количество микробов обнаруживается в зоне корневой системы растений (ризосферы).
По мере углубления число микроорганизмов уменьшается. На глубине 25–30 см количество их в 10–20 раз меньше, чем в поверхностном слое толщиной 1–2 см. Начиная с глубины 1–2 м количество микроорганизмов резко уменьшается. Почвы, богатые бактериями, биологически более активны. Между плодородием почвы и содержанием в ней микроорганизмов имеется определенная зависимость. Подсчеты показали, что на каждый га малоплодородной почвы приходится 2,5–3,0 т микробной массы, а высокоплодородной — до 16 т.
Число микроорганизмов в 1 т почвы колеблется от 1–3_106 до 20–25_109.
Микрофлора почвы представлена разнообразными видами бактерий: актиномицетами, спирохетами, простейшими, сине-зелеными водорослями, микоплазмами, грибами, вирусами.
С изменением глубины изменяется и видовой состав микрофлоры почвы; так в верхних слоях, содержащих много органических веществ и подвергающихся хорошей аэрации, преобладают аэробные сапрофитные организмы, способные разлагать сложные органические соединения. Чем глубже почвенные слои, тем беднее они органическими веществами. Доступ воздуха в них затруднен, поэтому здесь численность анаэробных бактерий увеличивается. Микроорганизмы почвы находятся в сложном биоценозе, характеризующемся антагонистическими и симбиотическими взаимоотношениями как между собой, так и с растениями.
К постоянным обитателям почвы относятся различные гнилостные, преимущественно спорообразующие, аэробные бактерии (Bac. mycoides, Bac. subtilis, Bac. mesentencus и др.) и анаэробные бактерии (Cl. sporogenes, Cl. putrificum, Cl. perfringens, Cl. botulinum, Cl. Сhauvoei и др.), а также термофильные бактерии, пигментные, кокковые формы; из сапрофитных кокков чаще выявляются микрококки (Micrococcus albus, reseus, flavus). В почве находятся нитрифицирующие, денитрифици-рующие, азотфиксирующие бактерии, серо и железобактерии, бактерии, разлагающие клетчатку, актиномицеты, плесневые грибы, дрожжи, протозойные организмы, микроскопические водоросли. Некоторые представители микрофлоры почвы при попадании в пищевые продукты могут вызвать их порчу, накапливать ядовитые продукты для организма человека. В почве беспрерывно совершаются процессы, обусловленные жизнедеятельностью этих микроорганизмов: гниение, нитрификация, денитрификация, разложение клетчатки и т. д.
Деятельность почвенных микроорганизмов играет большую роль в формировании плодородия почвы, так как вся масса органических веществ, которая ежегодно поступает в нее (остатки растений, трупы животных и другие загрязнения), под влиянием почвенных микроорганизмов разлагается на более простые соединения.
В аэробных условиях разложение доходит до полной минерализации остатков с образованием окисленных соединений простого состава, в анаэробных образуются газообразные вещества и промежуточные продукты в виде органических кислот.
Микрофлору почвы делят на автохтонную (от лат. autochthonous — местная, коренная), которая усваивает гумусовые вещества непосредственно из почвы, и сапрофитную, или зимогенную (от лат. zimogenic — возбуждающие брожение), которая разлагает органические соединения, поступающие в почву извне. К автохтонным относятся представители родов Bacillus, Bacterium, Mycobacterium, Bactoderma, Clostridium, Pseudomonas, а также грибы — Penicillium, Aspergillus. В составе зимогенной микрофлоры преобладают бактерии, особенно неспорообразующие формы, родовую принадлежность которых установить довольно трудно.
В качестве эктосимбионта микроорганизмы обитают в почве, непосредственно окружающей корни растений. Данные участки вместе с поверхностью корней составляют ризосферу растения. В функциональном смысле ее можно определить как область, лежащую в пределах нескольких мм от поверхности каждого корня, в которой химическая активность растения влияет на микробную популяцию. Это влияние в основном проявляется в количественном отношении: число бактерий в ризосфере обычно превышает их число в окружающей почве в 10, а зачастую и в несколько сотен раз. Наблюдаются также и качественные изменения. В ризосфере преобладают короткие грамотрицательные палочки, тогда как грамположительные палочковидные и кокковидные формы встречаются здесь реже, чем в остальной части почвы. Однако не установлено никаких специфических ассоциаций конкретных бактериальных видов с конкретным растением.
Причина относительного обилия бактерий в ризосфере заключается в том, что корни растений выделяют органические питательные вещества, которые избирательно стимулируют рост бактерий с определенными типами питания. Однако не установлено никаких четких трофических взаимосвязей, хотя многие органические продукты, выделяемые корнями растений, уже идентифицированы. Остается также неясным, извлекает ли растение какую-либо пользу из ассоциации с микроорганизмами. При этом известно, что многие свободноживущие почвенные бактерии выполняют необходимые для растений функции, такие как фиксация азота и минерализация органических соединений. Поэтому логично предположить, что некоторые растения выигрывают от тесного контакта с микроорганизмами.
Образующиеся минеральные соединения являются питательным веществом для растений. Соединения углерода, азота — фосфора и других элементов из недоступных для растений форм преобразуются микробами в вещества, усвояемые ими. Таким образом происходит самоочищение почвы, поэтому происходящие в почве процессы распада и минерализации органических веществ имеют большое санитарное значение.
Микроорганизмам принадлежит большая роль в формировании состава почвы и почвенного гумуса (перегноя), который может образовываться из самых различных природных растительных соединений при участии различных видов бактерий (аэробов и анаэробов) и микроскопических грибов.
В почве могут находиться и патогенные микроорганизмы, которые попадают в нее с трупами животных, испражнениями, сточными водами и различными отбросами. Преимущественно это спорообразующие бактерии, например, возбудители столбняка, газовой гангрены, ботулизма, сибирской язвы и др. При благоприятных условиях микробы в почве могут не только выживать, но и долго (недели, месяцы и даже годы) сохранять вирулентные свойства. Некоторые патогенные микробы размножаются (возбудители сибирской язвы, столбняка), но большинство из них не находят в ней благоприятных условий для размножения и со временем теряют болезнетворность и гибнут.
Сохраняемость бактерий в почве в зависимости от вида различна. Некоторые микроорганизмы находятся в почве в жизнеспособном состоянии довольно долго, например, туберкулезная палочка — от 5 месяцев до 2 лет, бруцеллы — до 3 месяцев, бактерии рожи свиней — до 166 дней, гноеродные кокки — до 2 месяцев. Еще дольше сохраняются в почве споровые патогенные микроорганизмы, так, споры сибирской язвы, столбняка и газовой гангрены — десятки лет.
Почва, зараженная патогенными микробами, может служить источником распространения некоторых инфекционных заболеваний. Особенно большую опасность представляет возбудитель сибирской язвы.
Микробиологическое исследование почвы имеет важное значение в ее санитарной оценке при строительстве, планировке территории для заводов пищевой промышленности, водохранилищ, а также для оценки санитарно-зоогигиенического состояния, интенсивности загрязнения почвы микроорганизмами. Пробы почвы берут из разных участков и исследуют либо каждую отдельно, либо в виде средних проб, полученных путем смешивания нескольких образцов.
Показателем санитарного состояния почвы является содержание в ней термофилов, так как в незагрязненных почвах они практически отсутствуют. Термофилы — это в основном спорообразующие грамположительные палочки и актиномицеты.
Установлена прямая связь между загрязненностью почвы фекалиями и содержанием в ней бактерий группы кишечных палочек. В почве, загрязненной фекалиями, в течение первых 2 недель преобладает E. coli (61,6%). Через 21 день происходит значительное уменьшение их числа и увеличение количества цитратположительных сапрофитных кишечных палочек родов энтеробактер и цитробактер.
При бактериологическом исследовании почвы термофилы, кишечные палочки и некоторые другие микроорганизмы отнесены к санитарно-показательным микроорганизмам, т. е. по их присутствию и количеству судят о санитарном состояни почвы.
Установлено, что даже сильно загрязненные почвы самоочищаются от бактерий группы кишечных палочек и некоторых патогенных микроорганизмов по истечении нескольких месяцев.
На данный процесс влияют следующие факторы: механический состав и рН почвы, состав постоянной почвенной микрофлоры, растительный покров почвы, температура окружающей среды, интенсивность солнечной радиации и др.
Процессы самоочищения почвы положены в основу наиболее распространенных и эффективных методов обезвреживания жидких и твердых отбросов, обеспечивающих полную их минерализацию и гибель патогенной микрофлоры. При этом органическое вещество отбросов, обезвреживаясь, превращается в ценное удобрение. Твердые отбросы запахиваются, а чаще обезвреживаются в так называемых компостах вдали от колодцев и водоемов. Решающая роль в разогревании компостов принадлежит термофилам.
Почвенный метод обезвреживания применяют также для очистки сточных вод на специальных полях орошения, процесс которого заключается в том, что вода, попадая в почву, соприкасается с почвенной микрофлорой, которая минерализует органические вещества сточных вод.
Источник