/
Author: Волкер Н.
Tags: почвоведение почвенные исследования биология микробиология агрономия микроорганизмы
Year: 1979
Text
1И11И1
МШШ1Ш0ШМ
шгадшш
MIIMIIIIIPKI
Перевод с английского В. В. Новикова
Под редакцией и с предисловием
кандидата биологических наук Д. И. Никитина
МОСКВА «КОЛОС» 1979
631.4
П65
УДК 631.46
SOIL MICROBIOLOGY
Ed by N. WALKER
Rothamsted Experimental Station, Harpenden
Почвенная микробиология/Пер. с англ. В. В. Но-
П65 викова; Под ред и с предисл. Д. И. Никитина.—
М.: Колос, 1979. —316 с, ил.
В сборник включены обзорные статьи по ряду важнейших
вопросов почвенной микробиологии, изучавшихся авторами обзоров —
сотрудниками Ротамстсдской опытной станции — на протяжении
последних 50 лет
Рассчитан на научных работников в области биологии, ботаники,
микробиологии, почвоведения
40304—034
49—79. 3802020000 631.4
035(01)—79
© Butterworths, London and Boston, 1975
Перевод на русский язык, «Колос», 1979
Предисловие к русскому изданию
Почвенная микробиология к настоящему времени
развилась в одну из сложнейших комплексных областей
современной биологии. В сферу ее интересов
включаются одновременно и детальное изучение природных сред
обитания (включая микроморфологию) почвенных
микроорганизмов, их распространение, качественный и
количественный состав, особенности обмена веществ и
участие в круговороте элементов в биосфере, взаимодействие
друг с другом и с абиогенными факторами макро-
и микроокружения. К этому следует добавить, что к
миру микроорганизмов сейчас относят бесчисленное
множество микроскопических существ, принадлежащих как
к истинным микроорганизмам, так и к животным и
растениям. Экологические системные подходы к изучению
сообществ не противоречат этому объединению.
Сложность проблем, возникающих перед почвенной
микробиологией, не ограничивается лишь их
многообразием. Трудности чаще всего связаны с поисками
специфических решений отдельных проблем и частных задач.
Так, например, все еще в стадии разработок находятся
подходы и методы учета числа и состава
микроорганизмов, обитающих в изменчивой, мозаичной системе
почвы как среды обитания. Не менее сложен подбор
наиболее адекватных природной обстановке сред и условий,
в которых исследуются свойства организмов.
Многочисленные зоны соприкосновения почвенной микробиологии
нередко расплываются, взаимопроникновение дисциплин
больше не прослеживается. Возникают новые
пограничные науки, часто отдаленно родственные микробиологии,
как например, почвенная протозоология, трансформация
неприродных соединений в почве, учение о
почвообразовании и т. д. Несомненно, что изучение микробного на-
3
селения почв и его активности практически немыслимо
вне комплексов с представителями других наук:
ботаники, зоологии, генетики, химии, почвоведения,
метеорологии и многих других.
Почвенная микробиология теснейшим образом
связана с сельскохозяйственным производством. Ряд
животрепещущих проблем нередко успешно решается с
участием микробиологов. Одной из таких проблем является
биоиндикация типа и состояния почв в зависимости от
их обработки, выращивания сельскохозяйственных
культур и т. д. Очень чуткими индикаторами, отражающими
изменения, происходящие в почве, включая ее
плодородие, являются микроорганизмы. Этой проблеме
посвящены многие труды Е. Н. Мишустина («Ассоциации
почвенных микроорганизмов», М., «Наука», 1975 г. и др.).
Обширный материал по биоиндикации почв содержится
также в сборнике трудов Всесоюзного совещания
«Проблемы и методы биологической диагностики и
индикации почв» («Биологическая диагностика почв», М.,
«Наука», 1976 г.).
Другой актуальной проблемой сегодняшнего дня
является применение биоцидов. Несомненно, что
современное прогрессивное земледелие, основывающееся на
культивировании высокоурожайных сортов растений,
немыслимо без использования химических средств защиты
растений от вредителей и паразитов, освобождения
полей от сорняков. Тем не менее применение в практике
большого спектра реагентов упирается в проблему
защиты окружающей среды от загрязнения. Решение
дилеммы приходится на долю почвенной микробиологии.
В подыскании короткоживущих, безопасных и не
образующих токсических промежуточных продуктов
биоцидов активно участвуют микробиологи.
Огромное практическое значение имеет проблема
биологической фиксации азота атмосферы.
Исследования последних лет заметно повысили интерес
работников сельского хозяйства к этому явлению. Установлено,
что кроме известных давно нескольких микроорганизмов-
азотфиксаторов (представителей родов Azotobacter,
Clostridium и сине-зеленых водорослей — цианобактерий)
большое количество свободноживущих почвенных
микроорганизмов способно активно фиксировать атмосферный
азот. Вклад микробов в обогащение почвы даровым
азотом и в питании растений оказался более значитель-
4
ным, чем предполагалось. Эта проблема обстоятельно
рассмотрена в монографии Е. Н. Мишустина и
В. И. Шильниковой «Биологическая фиксация
атмосферного азота», М., «Наука», 1968 г.
Значительные успехи достигнуты в области симбио-
трофной азотфиксации при участии клубеньковых
бактерий. Применение бактериального удобрения нитрагина
стало обычным приемом в сельскохозяйственной
практике. Поиски путей дальнейшего повышения
эффективности нитрагина, условий инокуляции растений
бактериями и изучение механизмов их взаимодействия по-
прежнему привлекает большое внимание микробиологов.
Еще одна важная практическая проблема тесно
связана с почвенной микробиологией — повышение
эффективности использования культурными растениями
элементов минерального питания. Сюда относится в первую
очередь вопрос о потерях азота из минеральных
удобрений. Наряду с прочим большую роль в этом играет
микробиологический фактор. Все чаще процесс
нитрификации, осуществляемый уникальной группой автотроф-
ных бактерий, рассматривается как нежелательный,
сопровождаемый трудно контролируемыми процессами
денитрификации, к которым способны многие
микроорганизмы, и в итоге потерей азота в виде газообразных
продуктов. Ведутся успешные исследования по ингибиро-
ванию микробиологической нитрификации.
В связи с интенсификацией сельскохозяйственного
производства и расширением посевных площадей
обострилась проблема обеспечения растений фосфором.
Ископаемые запасы этого элемента недостаточны и в то же
время фосфор в отличие от других важнейших
элементов минерального питания прочно связывается в почве
и исключается из круговорота. Значительное количество
фосфора теряется с отходами животноводства, что
особенно усилилось в результате укрупнения хозяйств.
Поэтому микробиологические исследования по
трансформации фосфора в природе (в частности, по мобилизации
труднорастворимых фосфатов) также весьма актуальны.
Две старые сельскохозяйственные проблемы —
функционирование корневой системы растений и ризосферный
эффект и применение органических удобрений —
неотделимы от интересов почвенной микробиологии. Несмотря
на десятки лет исследований и сотни публикаций,
многие особенности ризосферного эффекта выявлены лишь
5
в последние годы, в том числе сведения об объеме и
составе корневых выделений растений, в частности
газовых компонентов (например, этилена), играющих роль
не только источников пищи, но и регуляторов микробных
сообществ.
Целесообразность использования органических
веществ в качестве удобрений, в сущности, никогда не
подвергалась сомнению, но практическое значение этого
мероприятия непрерывно возрастает, в частности,
внесения в почву пожнивных остатков (соломы), что
стимулирует деятельность почвенных микроорганизмов и
в их числе азотфиксаторов, способствует угнетению фи-
топатогенной микрофлоры и улучшению структуры
почвы, нередко за счет продуцирования микроорганизмами
полисахаридов.
Сельскохозяйственная практика непрерывно
выдвигает новые проблемы, в решении которых большая роль
принадлежит почвенной микробиологии, например
освоение засоленных почв, микробиологическая
трансформация органических веществ при орошении и осушении
почв и т. д.
В нашей стране за последние 10—15 лет издано
немало монографий, учебников и методических пособий по
почвенной микробиологии. В их числе труды Е. Н. Ми-
шустина («Микрофлора почв СССР», М., «Наука»,
1966) совместно с В. Т. Емцевым («Почвенная
микробиология», М., «Колос», 1970), Т. В. Аристовской
(«Микробиология подзолистых почв», Л., «Наука», 1965)
и других исследователей, работающих с отдельными
группами почвенного микронаселения: Т. Г. Мирчинк
(«Почвенная микология», изд.> МГУ, 1976), М. А.
Литвинова («Определитель микроскопических почвенных
грибов», Л., «Наука», 1967), М. М. Голлербаха и
Э. А. Штиной («Почвенные водоросли», Л., «Наука»,
1967), В. Ф. Николюка и Ю. Г. Гельцера («Почвенные
простейшие СССР», изд. ФАН, Ташкент, 1972) и многие
иные публикации, содержащие ценные в теоретическом
и прикладном аспектах экспериментальные данные,
обобщения и гипотезы по ряду почвенно-микробиологи-
ческих проблем. Среди лучших зарубежных
монографий в области микробиологии почвы следует отметить
труды Т. Брока (С. D. Brock «Principles of microbial
ecology», New Jersey, 1966), Т. Грея и С. Вильямса
(Т. R. G. Gray, S. Т. Williams «Soil microorganisms»,
6
Edinburgh, 197П, M. Александера (М. Alexander
«Microbial ecology», New York, 1971).
Коллективная монография «Почвенная
микробиология» под редакцией профессора Н. Уокера написана
ведущими сотрудниками старейшей в Западной Европе
Ротамстедской опытной станции. Учеными этого
сельскохозяйственного исследовательского учреждения за
время его существования с 1843 г. накоплены ценные
данные по ряду разделов сельскохозяйственной
практики, в том числе по почвенной микробиологии за многие
десятки лет.
В книге, несмотря на ее сравнительно небольшой
объем, в 12 статьях, написанных разными авторами,
достаточно полно и в ряде случаев оригинально
обсужден ряд важнейших проблем почвенной микробиологии,
имеющих большое значение для сельскохозяйственной
практики. Все статьи группируются вокруг нескольких
стержневых тем. Наибольшая часть книги и число
статей (6 из 12) связаны с описаниями особенностей
ризосферы растений как среды обитания микроорганизмов
(статьи Б. Моссе и М. Брауна), свойств и роли
клубеньковых бактерий как симбионтов растений (статья
П. Натмена) и участия микроорганизмов в
круговороте азота (статьи Н. Уокера, П. Дарта и Дж. Дэя) и
фосфора (статья Д. Хеймена). Таким образом, проблема
влияния высших растений на микроорганизмы и их
взаимосвязь обстоятельно отражены в книге.
В отдельных статьях содержится ценный
фактический материал, оригинальные интерпретации данных и
гипотезы. Так в статье М. Браун отмечается, что зона
ризосферы представляет собой не только поле, где
проявляется разнообразие функций микрофлоры, но и
уникальную экологическую нишу, где взаимодействие
растений с микробным сообществом более специфично.
Естественно, что симбиоз растений с клубеньковыми
бактериями наиболее ярко выражает это
взаимодействие. Видный английский микробиолог П. Натмен,
работающий в этом направлении, подчеркивает
несовершенство таксономии клубеньковых бактерий, а
проанализировав существующие в настоящее время методы изучения
физиологии этих организмов и влияния на них
факторов среды обитания (включая антагонизм) приходит
к принципиально важному выводу: основным
экологическим резервуаром этих бактерий остается почва.
7
Значительный познавательный интерес представляют
статьи Б. Моссе и Д. Хеймена. Барбара Моссе
проанализировала особенности строения корней растений (в
основном бобовых) с точки зрения микробиолога и
образование клубеньков и эктотрофной микоризы. Второй
автор обстоятельно обсудил участие корней растений и
микроорганизмов в круговороте фосфора. Высказанные
в этих работах соображения относительно роли экто-
микоризы, удлиняющей корневую систему растений,
без сомнения привлекут внимание читателей.
Проблема нитрификации в почве и, в частности,
методы выделения и культивирования практически всех
представителей нитрифицирующих бактерий описаны с
такой тщательностью в статье Н. Уокера, что этот
раздел может с успехом использоваться как справочно-
методический. Подобно этому статья П. Дарта и Дж.
Дэя, посвященная несимбиотической фиксации азота
в почве, содержит очень ценное сопоставление
достоинств разных методов учета азотфиксирующей
активности культур микроорганизмов и почв. Представляет
также интерес эколого-географический подход к оценке
уровня несимбиотической фиксации азота в почвах
разных типов, в том числе в тропической зоне.
К этой же проблеме взаимодействия растений и
микроорганизмов примыкают еще две статьи — Ф. Скинне-
ра об активности анаэробных бактерий в почве и К. Хеп-
пера о продуцировании полисахаридов почвенными
бактериями непосредственно в моче. Автор уделяет
большое внимание устойчивости бактериальных
полисахаридов к микробному воздействию и их роли в
стабилизации почвенных агрегатов. Эти процессы имеют
большое значение, так как непосредственно связаны с
плодородием почвы, хотя эта связь не всегда очевидна.
Другой стержневой темой, ограниченной по
количеству приведенных материалов, но очень важной, является
почвенный антибиоз на примерах микроскопических
эвкариот — простейших и грибов. Автор одной из
статей, Дж. Дарбишир, детально обсудил важный и мало
исследованный вопрос о соответствии условий
почвенной микросреды особенностям строения и физиологии
почвенных простейших, как хищников, влияющих на
микронаселение почв. Р. Джексон в статье «Почвенные
грибы» критически проанализировал существующие
сейчас гипотезы, объясняющие фунгистазис почв и отдель-
8
ные аспекты возникновения облигатных грибных сим-
биотрофов путем утраты некоторых регулирующих рост
соединений и частичной потери сапрофитизма как
фактора конкурентоспособности. Эта точка зрения также
представляет интерес для читателей. Проблема
антибиоза и близкая к ней проблема авторегуляции микробных
сообществ очерчена в книге только фрагментарно. Это
подчеркивается отсутствием разделов, посвященных
бактериальному паразитизму и фаголизису,
конкурентным отношениям организмов из разных таксонов и др.
Еще одна тема, частично обсужденная в книге, в
наибольшей степени по сравнению со всеми остальными
близка к текущим проблемам агрохимии, защиты
растений от болезней и охраны окружающей среды. Сюда
относится вторая статья Н. Уокера, посвященная
микробному разрушению химических средств защиты
растений, и статья Д. Поулсона о частичной (в том числе
биоцидной) стерилизации почв. Эта статья написана в
классической для этой проблематики манере, содержит
много фактических данных. В отношении важнейшего
механизма, лежащего в основе микробной деградации
биоцидов, автор разделяет популярное мнение о
ведущей роли соокисления веществ, одно из которых легко
метаболизируется.
Статья Д. Поулсона не тривиальна и, несмотря на
кажущуюся простоту задач и очевидность
заключений, вызывает большой интерес строгой
определенностью понятий, широким охватом проблемы и дискуссии
онным характером самой публикации. Автор детально
обсудил непосредственное влияние и ценотические
последствия ряда причин, нарушающих структуру
микробных сообществ почв: фумигантов, термического и
лучевого воздействия, замораживания и оттаивания,
воздушной сушки и механической обработки. В статье
критически проанализирован ряд гипотез, касающихся
объяснения механизмов частичной и полной стерилизации
почвы. Заслуживает также внимания метод оценки
биомассы микроорганизмов по результатам вспышки их
размножения после фумигации почвы. Подобно
предыдущей, тема в целом (биоциды и стерилизация почв)
тоже отражена фрагментарно. Ряд вопросов, тяготеющих
к этой теме, не обсуждался, в частности,
экологические последствия разных типов механической обработки
почвы и загрязнения почв продуктами техногенного
9
происхождения, влияющих на микробное население
таким же образом, как и фумиганты и биоциды.
Предлагаемая читателям книга «Почвенная
микробиология» имеет четкую направленность, главную
тематику и несколько иллюстративных фрагментов и
является, без сомнения, не сборником статей, а
коллективной монографией Книга содержит много ценной
информации лабораторно-методического, теоретического и
прикладного характера и будет полезна для широкого
круга читателей, работающих в области сельского
хозяйства, общей и почвенной микробиологии, а также для
студентов и аспирантов биологических и
сельскохозяйственных вузов.
Кандидат биологических наук Д. И. Никитин.
В качестве старейшего сотрудника Отдела почвенной
микробиологии Ротамстедской опытной станции я хотел
бы рекомендовать этот сборник обзоров, написанных
нынешними и прежними сотрудниками Отдела, всем, кто
интересуется данной областью. Я надеюсь, что он
покажется содержательным и полезным студентам и dhy-
гим лицам, имеющим отношение к почвенным
микроорганизмам.
Дж. Торнтон
Предисловие к английскому изданию
Эта книга представляет собой сборник статей,
написанных, за одним исключением, нынешними и прежними
сотрудниками Отдела почвенной микробиологии
Ротамстедской опытной станции. Систематическое изучение
почвенных микроорганизмов велось на Ротамстедской
станции более 50 лет, хотя самые ранние исследования
были проведены Р. Уорингтоном примерно 90 лет назад.
Наиболее часто упоминаемые первые исследования —
это, вероятно, исследования Э. Дж. Расселла и X. Б. Хет-
чинсона по частичной стерилизации почвы
антисептиками, проведенные перед самой войной 1914—1918 гг.
С этого времени микробиологические исследования
велись непрерывно, сначала в лабораториях
протозоологии и почвенной бактериологии, а после их слияния в
1940 г.— в Отделе почвенной микробиологии.
По предложению издательства данная книга была
подготовлена как совместная работа нынешних и
бывших сотрудников Отдела и дополнена обзором Д. С. По-
улсона из Отдела почвоведения по важной теме
частичной стерилизации почвы. Разделы книги представлены
в основном в форме очерков-обзоров различных
аспектов исследований, в которых участвовали сами авторы.
Хотя эта книга и не должна служить учебником,
можно надеяться, что студенты и другие лица сочтут ее
полезной для чтения и что она может послужить
введением к различным аспектам почвенно-микробиологиче-
ских исследований.
Я. Уокер
11
1
АНАЭРОБНЫЕ БАКТЕРИИ
И ИХ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ В ПОЧВЕ
Ф. А. СКИННЕР (F. A. SKINNER)
1.1. ВВЕДЕНИЕ
Количественно колеблющуюся долю микробной
популяции почвы составляют анаэробные
микроорганизмы, часть которых растет только в отсутствие
кислорода (облигатные анаэробы), другие же могут расти
и в присутствии кислорода и анаэробно, если они
обеспечены подходящими питательными веществами
(факультативные анаэробы). Хотя о существовании таких
организмов было известно со времени возникновения
почвенной микробиологии, чрезвычайное разнообразие
этой популяции выявлялось лишь постепенно, в
результате непрерывного совершенствования методов их
культивирования.
Некоторые группы почвенных анаэробов, например
те, что фиксируют азот, разлагают целлюлозу,
образуют метан или восстанавливают сульфаты до
сульфидов или нитраты до газообразного азота, представляют
особый интерес для микробиолога, связанного с
сельским хозяйством. Имеется, однако, много других
анаэробов, которые могут совершать важные
преобразования питательных веществ в почве. Многие из этих
организмов изучались в лабораторных культурах, но мало
известно об их поведении в постоянно меняющихся
почвенных условиях или об их возможном значении для
плодородия и структуры почвы.
Одна из главных причин возникновения анаэробных
условий — это вытеснение почвенного воздуха водой,
через которую кислород диффундирует медленно; такое
переувлажнение, если оно продолжительно,
благоприятствует размножению анаэробов и ведет к
возникновению сильно восстановленных условий. Вторая причина —
это истощение кислорода почвенного воздуха в
результате дыхания почвенных микроорганизмов в темпе, бо-
12
лее быстром, чем тот, с которым атмосферный
кислород может диффундировать к участкам метаболической
активности. Недавние перемены в земледельческой
практике, такие, как использование более тяжелых машин и
орудий, уплотняющих почву, и внесение больших
количеств жидкого навоза, препятствующих доступу
воздуха к поверхности почвы, весьма вероятно, увеличат
возможность возникновения анаэробных условий в
некоторых почвах на длительные периоды.
Интерес к явлению анаэробиоза и его связи со
структурой и плодородием почвы отражен в недавней
публикации [1]. В ней было правильно подчеркнуто
значение хорошей почвенной структуры, позволяющей
воздуху в достаточном количестве проникать к корням
растений. Как правило, возникновение анаэробных
условий считается нежелательным, потому что они или
препятствуют улучшению почвенной структуры, или же
вызывают ухудшение структуры, уже сложившейся в
аэробных условиях. В том же сообщении указывалось
также, что деятельность микроорганизмов в отсутствие
кислорода может быстро привести к образованию таких
веществ, как аммиак, сульфиды, двухвалентное
железо, фосфин, метан и этилен, которые могут вредить
растениям. Хотя это, может быть, в общем и верно, но
в сообщении не указаны уровни интенсивности
восстановления, при которых образуются эти соединения. Так,
аммиак образуется при минерализации азотистых
соединений как в аэробных, так и в анаэробных условиях,
хотя в анаэробных это происходит быстрее [43].
Сульфиды, закисное железо и метан определенно
образуются только в условиях сильного восстановления, но
этилен может образовываться перед слишком сильным
снижением окислительно-восстановительного
потенциала, например, в присутствии нитратов. Условия, при
которых образуется фосфин, предположительно в
результате деятельности бактерий, пока еще не выяснены
[40]. Отсутствие кислорода — не единственный фактор,
определяющий, какие анаэробы будут преобладать в
почве; рост будет сильно зависеть от восстановительной
способности окружающей среды, от доступности
питательных веществ и от таких физических факторов, как
температура и содержание воды в почве.
В этом разделе сделана попытка суммировать
многое из того, что известно об анаэробных почвенных бак-
13
териях, и обсудить их значение для почвенного
плодородия и структуры. Особое внимание уделено анаэробам,
связанным с преобразованием азота и
исследованиям, проводившимся на Ротамстедской станции.
1.2. ФАКУЛЬТАТИВНЫЕ АНАЭРОБЫ
Факультативные анаэробы, способные расти в
отсутствие кислорода, при условии обеспечения их
подходящими питательными веществами не составляют
однородной группы. Можно выделить два основных типа фа*
культативных анаэробов: тех, что способны использовать
нитраты или какие-либо другие окислы азота вместо
элементарного кислорода в качестве конечного
акцептора водорода в процессе дыхания, и тех, что используют
энергию, освобождающуюся при дыхании в присутствии
кислорода или в результате сбраживания органических
веществ в его отсутствие примерно так, как это
происходит у дрожжей. Некоторые бактерии, как, например,
Klebsiella (Aerobacter) aerogenes, располагают обоими
типами механизмов анаэробного дыхания.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ НИТРАТОВ
Способностью восстанавливать нитраты до нитритов
обладают многие бактерии. Из видов, обитающих "в
почве, около 40, 50 и 60% соответственно из порядков
Pseudomonadales, Eubacteriales и Actinomycetales,
перечисленных в определителе Берджи [8], обладают этой
способностью; эти виды представляют по меньшей мере
23 рода. Этот механизм получения энергии — диссими-
ляционный процесс — известен как «нитратное дыхание»
в отличие от ассимиляционных процессов, при которых
нитраты восстанавливаются перед их включением в
вещество клеток.
_ Восстановление нитратов — весьма эффективный
процесс в отношении обеспечения клетки энергией. Соглас:
но Мак-Карти [27], средний выход энергии при
переносе одного электрона от органического донора электронов
к нитрату равен примерно 18 ккал на
грамм-эквивалент, или 67,9% энергии, освобождающейся при
аналогичном переносе электрона к кислороду.
Нитраты могут далее восстанавливаться некоторыми
бактериями до газообразного азота. Этот процесс, на-
И
Званный «денитрификацией» Тейо и Дюпти [20],
которые первыми изучали его, осуществляется лишь
немногими видами, но они широко распространены в почвах
и часто многочисленны. Около восьми родов
почвенных бактерий содержат виды, способные к денитрифи-
кации, и из них особенно хорошо известны Pseudomo-
nas, Micrococcus и Bacillus, У немногих видов конечным
продуктом денитрификации оказывается закись азота, а
не азот. Редко встречается способность восстанавливать
нитриты, а не нитраты до газообразного азота.
Нитратное дыхание зависит от присутствия редуктаз
для различных окислов азота и от связанных с ними
соединений — переносчиков электронов: такие системы
усиленно изучались в недавнее время, и обширный
обзор литературы, относящейся к этому, был составлен
Пейном [31]. Эти дыхательные ферментные системы
обычно отсутствуют в клетках, растущих в строго
аэробных условиях, но быстро возникают при снижении
парциального давления кислорода. Недостаток кислорода
это важнейший фактор, влияющий на синтез редуктаз
окислов азота у всех видов с нитратным или полностью
денитрифицирующим дыханием. Так, например, когда
Pseudomonas denitrificans помещали в анаэробные
условия в отсутствие окислов азота, то синтез редуктазы
закиси азота начинался и достигал максимума через
3 ч; за это же время, но в меньшей степени,
образовывались также редуктазы окиси азота и нитрита. Таким
образом, здесь не было никакого преимущества в
наличии нитрата для обеспечения синтеза ферментов.
В настоящее время общепризнано значение
поддержания анаэробных условий для образования ферментов
процесса денитрификиции, но исследователи не всегда
сходились в оценке степени аэрации, которую могли
переносить денитрифицирующие бактерии. Коллинс [13],
изучая рост Ps. aeruginosa в 0,2%-ном нитратном
бульоне при непрерывном встряхивании, наблюдал в
некоторых культурах предположительно аэробную денитри-
фикацию. Было установлено, что способность этого
организма синтезировать ферменты денитрификации
зависела от формы культуральных сосудов, и в тех из
них, где аэрация затруднялась, могли создаваться
денитрифицирующие системы. Использование другими
исследователями тонких слоев питательных сред или
высоких слоев, аэрируемых продуванием воздуха, по-ви-
15
димому, не обеспечивало достаточно кислорода для
быстро растущих клеток и тем самым способствовало
синтезу систем с нитратным дыханием. Кажется
очевидным, что скорость синтеза ферментов у всех
бактерий, способных к денитрификации [31], обратно
пропорциональна доступности кислорода.
Для дыхания за счет окислов азота совершенно
необходимо наличие органических соединений, служащих
в качестве доноров электронов. Как правило, этой цели
может служить множество соединений, но не следует
думать, что природа этих веществ не имеет значения.
Так, добавление низкомолекулярных жирных и
родственных им кислот к среде, содержащей нитраты, усиливает
активность редуктазы нитратов Mycobacterium
tuberculosis. Некоторые виды, считавшиеся неспособными
восстанавливать нитраты, могут осуществлять это при
наличии соответствующего донора электронов; например,
Mycobacterium scrofulaceum, восстанавливает нитраты
в культурах, содержащих молочную кислоту, но не в
других субстратах [6].
СБРАЖИВАЮЩИЕ ФАКУЛЬТАТИВНЫЕ АНАЭРОБЫ
Способностью получать энергию путем анаэробного
брожения обладает большой ряд микроорганизмов,
многие из которых встречаются в почве. Их можно
обнаружить при культивировании в средах, содержащих
сбраживаемые углеводы, но без нитратов, при
инкубации в анаэробных условиях или при использовании
среды для глубинного культивирования. В почвах Ротам-
стедской станции факультативные организмы этого
класса, преимущественно бактерии и дрожжевые грибы,
часто составляют около 10% от всех аэробных клеток
на такой же среде. Значение этой популяции для
плодородия почвы в значительной степени неизвестно.
1.3. ОБЛИГАТНЫЕ АНАЭРОБЫ
СПОРООБРАЗУЮЩИЕ ОРГАНИЗМЫ
Большинство облигатных анаэробов почвы это спо-
рообразующие бактерии из рода Clostridium; они
встречаются в больших количествах обычно порядка 104—10б
на 1 г почвы в умеренных регионах. Популяция почвен-
16
ных клостридий включает многие виды, ряд которых
патогенны для людей и животных. Clostridium welchii,
важнейший организм-возбудитель газовой гангрены у
людей, широко распространена и обычно изобилует в
почве; ее споры обнаруживали в количествах до 105 на
1 г почвы. Другие патогенные клостридий, как,
например, CL oedematiens типа А и CL septicum, также
довольно обычны. Непатогенные протеолитические
клостридий также изобилуют в почве; из них, вероятно,
наиболее распространена CL sporogenes, и она часто
сопутствует патогенным типам в ранах, пораженных
газовой гангреной. В таких поражениях и в почве
встречаются и многие другие менее известные виды.
Почвенные клостридий сильно различаются по
способности расти в присутствии кислорода. Такие виды,
как CL sporogenes, CL oedematiens и CL septicum,—
строгие анаэробы; другие, как, например, CL bifermen-
tans, CL histolyticum и CL welchii, менее требовательны
и могут расти в присутствии следов кислорода,
Clostridium tetani, возбудитель столбняка, широко
распространен в почвах, хотя и не изобилует в них; это строгий
анаэроб, но он нетребователен в отношении источников
пищи.
Почвенных клостридий можно подсчитывать,
пользуясь избирательной средой и методикой, например, Гибб-
са и Фрима [21]; для оценки численности спор и всех
клеток используют соответственно пастеризованный и
непастеризованный инокулят. Весьма часто оба приема
дают близкие результаты, особенно если почва при
отборе проб была сухой, а из этого следует, что
клостридий присутствовали в виде спор. При обследовании
25 почв из Ротамстеда, Суффолка и Оксфордшира-
численность спор клостридий колебалась от 4,ЗХЮ3 на
1 г сухой почвы в Бродбоке (делянка 19) до 6,ЗХЮ5
на 1 г сухой почвы делянки 22. Только в шести из
исследованных почв содержалось более 105 спор на 1 г.
Их численность, как правило, была низкой возможно
потому, что пробы почвы отбирали во время долгого
периода сухой погоды [35].Clostridium botulinum токси-
нообразующий организм, очень важный для пищевой
промышленности, не был обнаружен в какой-либо из
этих 25 почв, но он может в какой-то степени
размножаться, если его инокулировать во влажную богатую
почву (частное сообщение Робертса).
2 Почвенная микробиология
17
Гарсия и Мак-Кей [19] изучали рост и выживание
С/, septicum в почве и установили лишь ограниченный
рост в опытах с почвами, которые при влажности 60%
от полной влагоемкости выдерживали в атмосфере азота
при 37°С. В стерильной черноземной почве с
добавлением и без добавления 1% глюкозы или навоза
численность CL septicum была наивысшей через семь дней;
после этого она снижалась, и спустя 4 недели
численность бактерий во всех вариантах приближалась к той,
что была в начале опыта (5ХЮ5 на 1 г). Увеличение
численности к седьмому дню не было большим —
удвоение достигалось внесением навоза или глюкозы и
сопровождалось снижением доли жизнеспособных спор до
примерно 30% от общей их численности в почвах с
добавками. Спорообразование снова усиливалось через две
недели, и к 30-му дню доля спор приближалась к их
доле в начале опыта — около 70% (в стерильной
почве). Аналогичные результаты отмечены для свежей,
нестерильной почвы.
Наличие такого большого числа спор позволяет
делать выводы об активности этих организмов и их
способности быстро размножаться, когда условия
становятся анаэробными. Многие виды клостридий встречаются
в кишечнике и в кале человека и животных; здесь
изобилуют CI. welchii и CI. sporogenes. Кроме того,
большинство их хорошо или оптимально растет при 37°С —
температуре, редко наблюдаемой в почве, за
исключением ее поверхности, где аэрация и сухость исключают
их рост. Возможно, они приспособлены в первую
очередь к кишечной среде, но могут хорошо выживать и в
почве. С другой стороны, клостридий обнаруживают в
почвах, далеких от людских обитаний или районов, где
вероятно загрязнение почвы экскрементами животных.
Таким образом, можно утверждать, что клостридий —
это действительно почвенные организмы и что
оптимальная температура роста 37°С случайна. К тому же
наша осведомленность о столь многих клостридиях,
способных расти оптимально при температуре
человеческого тела, может отражать склонности микробиологов,
которые часто культивируют организмы при
температурах намного выше вероятных в природе и, таким
образом, невольно отбирают организмы, растущие при
высоких температурах. Это мнение подкрепляется при
сравнении с родом Bacillus, аэробными спорообразую-
18
щими бактериями. В этом роде из 16 установленных
почвенных видов [8] семь растет оптимально или
хорошо при 37°С, девять растет аналогичным образом при
30°С и пять видов хорошо растет при обеих
температурах. Эти аэробные формы, не являющиеся
типичными кишечными организмами, тем не менее растут при
температурах, более высоких, чем обычно наблюдаются
в почвах.
Рассмотренные выше виды клостридий представляют
особый интерес для медицины или здравоохранения, но
некоторые из них выполняют полезные функции в
почве. Так, CL sporogenes, протеолитическая бактерия,
вероятно, ответственна за разложение животных тканей в
анаэробных условиях. Способность к разложению белка
обычна у упомянутых видов, но имеются многие
почвенные клостридий, у которых эта способность очень
ограниченна, зато они могут очень энергично сбраживать
углеводы; эти виды активно разлагают растительные
остатки. Эти сахаролитические формы, типичными
представителями которых являются CL buiyricum и CL ра-
steurianum, представляют особый интерес для
почвенных микробиологов, поскольку многие их штаммы
способны фиксировать атмосферный азот.
Клостридий, способные разлагать целлюлозу в
анаэробных условиях, широко распространены в почве, но
они редко изобилуют, исключая случаи со строгим и
длительным анаэробиозом. Анаэробные накопительные
культуры [39] с целлюлозой в качестве источника
углерода быстро выявляют присутствие целлюлолитических
спорообразующих анаэробов в почве, но их удается
выделить только при строго анаэробных условиях с
низким окислительно-восстановительным потенциалом
(Eh). В чистых культурах такие строгие условия
необходимо поддерживать для продолжения роста, поскольку
рост прекращается, при относительно высоком Еъ,
преобладающем в присутствии нитратов. Таким образом,
анаэробное разложение целлюлозы в почве вероятно
только при длительном анаэробиозе, как, например, при
заболачивании в отсутствие нитратов. По этой причине
нельзя считать, что эти организмы играют
первостепенную роль в разложении целлюлозы в почве.
Клостридий, разлагающие пектин, известны с давних
времен по процессу мочки льна. По данным Емцева
и др.. [18], изучавших распределение пектинолитических
2*
19
форм в различных почвенных типах СССР, некоторые
из этих форм фиксировали азот. Хитинолитические кло-
стридии были выделены из прибрежной морской тины
[5], и они, вероятно, широко распространены в
почвах, где хитин встречается в остатках грибов и
насекомых.
АЗОТФИКСИРУЮЩИЕ КЛОСТРИДИИ
Многие штаммы клостридий, разлагающие сахара,
особенно CL pasteurianum, фиксируют атмосферный
азот, если они обеспечены сбраживаемыми источниками
углерода и очень небольшим количеством связанного
азота. Хотя представители аэробного рода Azotobacter
эффективно фиксируют азот в культуре, они
относительно редко встречаются в почвах [28, 29] и таким
образом не могут играть главной роли в накоплении
связанного азота. Азотфиксирующие клостридий более
распространены, и это обстоятельство и понимание, что
фиксация азота — это в сущности анаэробный процесс,
оправдывает детальное рассмотрение роли этих
клостридий в почвенной экономике.
Если раствор минеральных солей с исключением
азота (например, 10 г глюкозы, 1 г К2НРО4, 0,2 г
MgS04-7H20 в 1 л воды), содержащий немного мела,
инокулировать свежей почвой и поместить в термостат
при 18—20°, пропуская через раствор слабый ток азота,
то через несколько дней начнется брожение. Из этой
накопительной культуры обычными методами,
применяемыми при изучении анаэробов, могут быть выделены
азотфиксирующие клостридий, часто С/, pasteurianum.
Эти клостридий нетрудно выращивать в таких
накопительных культурах, потому что богатый почвенный
инокулят обеспечивает важнейшие ростовые факторы и
минералы, но при выделении чистых культур эти
незаменимые питательные вещества необходимо вносить
отдельно. Здесь требуются следовые количества железа и
молибдена, потому что это компоненты нитрогеназной
системы (азотфиксирующего фермента). Все
клостридий нуждаются в органических факторах роста,
которые для азотфиксирующих форм легко
обеспечиваются дрожжевой, почвенной или картофельной
вытяжкой.
Виноградский в своем описании С/, pasteurianum
[45] указывал на то обстоятельство, что клетки, в ко-
20
торых развиваются споры, окрашиваются иодом в темно-
бурый или фиолетово-бурый цвет. Это свойство было
использовано для микроскопической идентификации
этого организма, и оно служит основой для метода
подсчета, разработанного Дженсеном [25]. Пробирки с
водой, в которую добавляют кусочки картофеля и мел,
стерилизуют, инокулируют почвенной суспензией
подходящего разведения, выдерживают в термостате и через
несколько дней проверяют на присутствие клеток,
окрашиваемых иодом. В таких пробирках, считающихся
содержащими азотфиксирующие клостридии, обычно
происходит выделение газа с запахом бутилового спирта
или масляной кислоты. Методы подсчета и выделения
этих организмов детально рассмотрены в обзоре [41].
Пользуясь этим методом, Мейклджон [29]
подсчитывал численность азотфиксирующих клостридии в
почвах делянок поля Бродбок на Ротамстедской станции.
Их численность колебалась от 103 до 105 в 1 г почвы;
клеток азотобактера было менее 103 в 1 г почвы.
Этот метод, вероятно, завышает численность
популяций азотфиксирующих клостридии. Изучение
пригодности различных жидких безазотистых сред для
подсчета этих анаэробов показал, что окрашивание иодом
было ненадежной методикой [24]. Больше того, для почв
Ротамстедской станции метод с картофелем обычно
дает более завышенные, иногда почти в 100 раз, оценки
численности предполагаемых азотфиксирующих
анаэробов, чем параллельные оценки общей популяции
клостридии, включая все протеолитические типы, по методу
Гиббса и Фриме [21]—методу с известной
эффективностью для оценки численности клостридии в
продуктах питания. Опыты с чистыми культурами
показали, что штаммы С/, butyricum, часть которых
фиксирует азот, обычно затемняют среду Гиббса и Фриме
[21], но что штаммы С/, pasteurianum осуществляют
это далеко не всегда [36].
Несмотря на эти расхождения в методах подсчета,
мнение о том, что анаэробы — это активные фиксаторы
азота в почвах Бродбока и, вероятно, также и в других
почвах, подкрепляется лабораторными наблюдениями
над фиксацией азота почвой из Бродбока, если ее
инкубировать с соломой в анаэробных условиях [3].
Дальнейшее подтверждение этого мнения получено Дэй и др.
[17], доказавшими, что активность нитрогеназы, изме-
21
ряемая методом с восстановлением ацетилена, возрастает
с увеличением содержания воды в почве. Это
позволяет думать, что для активности нитрогеназы и
предположительно для роста организмов благоприятна
ограниченная аэрация. Пока еще эту активность не
связывали с численностью и с типами азотфиксирующих
микроорганизмов, т. к. для этого необходимо дальнейшее
улучшение методов идентификации и подсчета этих
микроорганизмов.
ДРУГИЕ ОБЛИГАТНЫЕ АНАЭРОБЫ
Две другие группы облигатных почвенных
анаэробов — сульфатредуцирующие и метанобразующие
бактерии— заслуживают особого упоминания в связи с их
необычной физиологией и их потенциальным значением
при длительном анаэробиозе.
В отличие от факультативных анаэробов с
нитратным дыханием сульфатредуцирующие бактерии — это
облигатные анаэробы и не имеют никакого другого
механизма обеспечения энергией. Эти организмы широко
распространены в природе и процветают в сырых или
переувлажненных почвах и в иле при отсутствии
кислорода и при наличии сульфатов (акцептора электронов)
и органического вещества (источника или донора
электронов). Хотя сульфатредукторы изобилуют, когда
условия для них благоприятны, определены лишь немногие
виды. Здесь имеется два рода: бактерии, не
образующие спор, отнесены к Desulfovibrio [33], а спорообра-
зующие — к Desulfotomaculum [12]. Несмотря на
полное сходство в наличии сульфатного дыхания, между
представителями этих родов имеются большие
различия; так, представители первого рода содержат цито-
хром с3 и десульфовиридин в качестве компонентов
дыхательной системы, тогда как спорообразующие
бактерии их не содержат, и между двумя этими группами
нет тесной антигенной связи.
Значение сульфатредуцирующих бактерий
заключается в их способности продуцировать сульфиды,
корродирующие железные трубы и другие структуры,
находящиеся в анаэробной почве. Процесс коррозии частично
микробный и частично электролитический. Участки
железных предметов, где бактерии образуют сульфиды,
становятся анодными по отношению к частям структу-
22
pbi, где нет сульфидов; тогда водород накапливается н&
катодных участках, и, если он постоянно удаляется
микроорганизмами, способными окислять водород, будет
происходить коррозия железа [7].
Бактериальное образование сульфидов может иметь
также и сельскохозяйственное значение, поскольку
они могут быть токсичными для корней
растений [14].
Бактерии, образующие метан, требуют анаэробиоза
по меньшей мере столь же строгого, как и тот, в
котором нуждаются организмы, разлагающие целлюлозу.
В природных или окультуренных почвах могут
образовываться лишь небольшие количества метана.
Выделение заметных количеств метана возможно лишь при
исключительных условиях, когда случайным образом
или вследствие неумелого обращения с почвой
произошло накопление слишком большого количества
органического вещества в почве, склонной к переувлажнению в
результате замедленного дренирования [40]. Метан
может также образовываться в почвах, покрытых
толстым слоем жидкого навоза (частное сообщение Бер-
форда).
1.4. ВЛИЯНИЕ АНАЭРОБОВ
НА СТРУКТУРУ ПОЧВЫ И ИХ ФУНКЦИИ
РАННИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АНАЭРОБНЫХ ПОЧВЕННЫХ
УСЛОВИЙ НА РОТАМСТЕДСКОЙ СТАНЦИИ
До недавнего времени на Ротамстедской станции
уделялось сравнительно мало внимания природе и
деятельности почвенных анаэробов, хотя некоторые
потенциально важные исследования были начаты перед
самым началом первой мировой войны. В ходе одного
исследования судьбы азота, вносимого с минеральными
удобрениями, было отмечено, что на полях под
культурами, обильно удобрявшимися навозом, происходила
потеря азота, которую нельзя было объяснить
поглощением его культурой или вымыванием в форме нитратов
с дренажными водами. Предполагалась потеря
газообразного азота, но анализы почвенных газов по меньшей
мере за двухлетний период не дали доказательств такой
потери. Был сделан вывод, что в результате денитрифи-
кации, которая была известна, но не очень хорошо
понята в то время, газообразный азот мог освобождаться
23
из почвы в слишком медленном темпе, чтобы это можно
было установить имевшимися в то время методами.
Исследования куч навоза Расселлом и Ричардсом
[38] показали, что нитраты образуются на внешней
поверхности кучи, где условия аэробны, но если куча
достаточно увлажнялась, чтобы вымыть нитраты внутрь
нее, но недостаточно для их удаления, наблюдалась
значительная потеря газообразного азота. Таким
образом была установлена корреляция между разложением
нитратов и ограниченной аэрацией. Это нетрудно понять
в свете современных знаний: мы объяснили бы это,
указав, что нитраты образовывались на поверхности кучи
в результате нитрификации и что все нитраты,
поступающие внутрь кучи, использовались в процессе
нитратного дыхания обитающими там факультативными
анаэробами.
Расселл рассматривал результаты этого
исследования по почвенным газам и по денитрификации в
навозных кучах, как объяснение потерь газообразного азота
из почвы. Исследование изменений в составе почвенного
воздуха на глубине 15 см [37] показало, что воздух
в почвенных порах лишь немного отличался от
атмосферного по содержанию кислорода, хотя в нем было
больше двуокиси углерода. Кроме этого воздуха в
почвенных порах была установлена другая атмосфера,
растворенная в почвенной воде и абсорбированная
коллоидами, характерной особенностью которой было низкое
содержание кислорода (или его отсутствие) и высокое
содержание двуокиси углерода/ Наличие такой
атмосферы в тесной связи с твердыми частицами почвы
указывает, что почвенные микрорганизмы используют
кислород быстрее, чем он может диффундировать к зонам
микробной активности. Расселл уподобил почвенный
комочек, или агрегат, содержащий органическое
вещество, миниатюрной навозной куче, потому что он
окружен газом, сходным по составу с атмосферным
воздухом (примерно 20% Ог), и таким образом на его
поверхности могло происходить образование нитратов.
Внутренняя часть агрегата будет анаэробной и
благоприятной для денитрификации всякий раз, когда
почвенная влага сделает возможной диффузию нитрата внутрь
комочка.
С агрономической точки зрения денитрификация
нежелательна, потому что она вызывает потерю ценного
24
азота из почвы. Этому процессу благоприятствуют
слегка щелочная реакция, тепло, несмотря на то, что де-
нитрификация может происходить в тундре или в других
холодных почвах, недостаток кислорода и достаточный
запас органического вещества для обеспечения доноров
электронов. Почва вовсе не должна быть очень
влажной, чтобы в ней происходила слабая денитрификация;
это вполне объяснимо исходя из представления об
анаэробном агрегате, окруженном почвенным воздухом с
содержанием кислорода, близким к атмосферному.
ДЕНИТРИФИКАЦИЯ В ПЕРЕУВЛАЖНЕННЫХ ПОЧВАХ
Согласно Беллу [4], в переувлажненной почве
возникает обычно окислительно-восстановительный
потенциал (£ь), равный примерно +200 мВ, сохраняющийся
все время, пока происходит сбраживание углевода и
образующиеся газы содержат двуокись углерода и
водород. После некоторого лаг-периода Eh резко снижается
примерно до —200 мВ, и в выделяющемся газе
появляется метан. Если в почве имеется нитрат,
денитрификация продолжается в течение первой фазы, и тогда газ
содержит немного азота: Еъ. не падает ниже +200 мВ.
Когда все нитраты разложены, £ь больше не
держится на уровне +200 мВ, а падает до —200 мВ, что
близко к пороговому значению Ец для образования метана.
Затем условия стабилизируются на все время, пока
имеются запасы питательных веществ для метанобразую-
щих бактерий.
Внесение в почву нитратов задерживает
возникновение условий сильного восстановления и образование
метана. Если имеется достаточно нитратов, чтобы
обеспечить полное использование доноров электронов денитри-
фикаторами, то образование метана будет полностью
предотвращено.
Нитраты в почве обычно рассматриваются просто
как питательное вещество растений, недостатком
которого является легкость вымывания с дренажными
водами и, следовательно, потеря для культуры. Делались
попытки подавления деятельности аэробных
нитрифицирующих бактерий, чтобы сохранить минеральный азот в
форме аммиака, который удерживается почвенными
коллоидами от вымывания. Для этой цели
использовались такие ингибиторы нитрификации, как N-Serve.
25
Однако в свете изложенных выше сведений о
поведении нитритов в переувлажненных почвах можно считать,
что нитрат это не просто питательное вещество
растений с неудовлетворительными свойствами, но также
полезный агент, уравновешивающий
окислительно-восстановительный потенциал. Совершенно ясно, что если
почва не содержит нитратов, то переувлажнение быстро
приведет к возникновению условий сильного
восстановления, неблагоприятных для роста высших растений.
РОСТ АНАЭРОБНЫХ ОРГАНИЗМОВ
В НОРМАЛЬНО УВЛАЖНЕННЫХ ПОЧВАХ
Виноградский [46] отмечал, что почва обычно
считается аэробной и решил выяснить, не становится ли
анаэробная микрофлора активной, когда почва
уплотнена, переувлажнена или вообще плохо аэрирована. В
одном из опытов, поставленных для выяснения этого
вопроса, он полагался на микроскопическое исследование
почвы для суждения о ее анаэробности. Присутствие
азотобактера, легко определяемого по большому
размеру его клеток, было критерием аэробных условий, а
присутствие спорообразующих бактерий («амилобактера»),
включая CI. pasteurianum, было принято за показатель
анаэробности. Оба эти организма хорошо растут в
почвах, бедных азотом, при условии обеспеченности каким-
либо углеводом. Виноградский брал пробы почвы
одного и того же типа с различным естественным
содержанием воды, добавлял к ним 1% маннита или глюкозы
в форме сухого порошка и набивал подготовленную
таким образом почву в трубки диаметром 5 см так,
чтобы получить вертикальные колонки почвы высотой
4—23 см.
Почва, содержавшая 15,5% воды (31% от полной
влагоемкости), характеризовалась высоким титром
азотобактера и поэтому считалась аэробной. Лишь когда
содержание воды в почве достигало примерно 20%,
положение заметно изменялось; спорообразующие бактерии,
окрашиваемые иодом в темный цвет, были
многочисленными на глубине 4—5 см от поверхности почвы, и
запах масляной кислоты был заметен вблизи дна
колонки. При содержании 23% воды в почве (48% от
полной влагоемкости) анаэробные бактерии росли почти
на поверхности, запах прогорклого масла был заметен
26
у верхушки колонки, и вся колонка была разорвана
пузырьками газа в результате брожения добавленного
источника углерода. Был сделан вывод, что анаэробы,
неактивные в умеренно сухой почве, могут быстро
активизироваться при содержании воды намного ниже
требующегося для переувлажнения почвы. Когда
достигался критический уровень увлажнения (около 40% от
полной влагоемкости для испытывавшейся почвы), анаэробы
были способны расти почти до самой поверхности
колонки, но только при наличии подходящего
источника углерода. Виноградский высказал предположение,
что анаэробиоз играет более важную роль в пахотных
почвах, чем предполагалось, но он не указал, в чем эта
роль могла бы заключаться.
Нет никакого сомнения, что быстрому размножению
анаэробов типа «амилобактер» предшествовала
достаточная активность аэробных организмов, вызывавшая
резкое снижение парциального давления кислорода в
почвенных порах, причем эта активность была
следствием внесения в почву большого количества
легкодоступного источника углерода. Такие материалы, как сахар,
обычно не вносят в почву, и большая часть
органического вещества, обычно вносимого в почву, относится к
более устойчивому типу, подобно целлюлозе, которая
медленно разлагается и никогда не дает быстрого
притока легко разлагаемого субстрата. Тем не менее
бывают случаи, когда сахаристые или другие
легкодоступные субстраты вносят в почву в качестве удобрения.
Часто на пахотные или пастбищные земли вносят жидкий
навоз, иногда для их улучшения, а иногда и в гораздо
больших количествах, просто чтобы его удалить. Сок,
получаемый при экстрагировании белка из зеленых
частей растений, также будет накапливаться, и его
потребуется удалять предпочтительно с пользой для дела.
Поэтому совершенно необходимо и поучительно взвесить
вероятные результаты таких внесений.
ВНЕСЕНИЕ В ПОЧВУ СОКА, ПОЛУЧАЕМОГО
ПРИ ЭКСТРАГИРОВАНИИ БЕЛКА ИЗ ЛИСТЬЕВ РАСТЕНИЙ
Белок листьев [32] получают, выжимая сок из маце-
рированных тканей растений и нагревая его для
коагуляции растворенного белка, который затем отделяют
путем фильтрации. Остающийся сок, или «сыворотка»,
27
богатая солями, сахарамй и соединениями азота,
обеспечивает хороший рост микроорганизмов. Возможность
использования подвижного оборудования в полевых
условиях для частичного экстрагирования белка из
кормовых культур, предназначаемых в последующем для
сушки, ставит вопрос о путях удаления сока при
минимальных расходах на транспортировку и по
возможности путем непосредственного внесения в почву в
качестве удобрения [2]. Предварительные исследования, в
которых сок, выжатый из ежи сборной, вносили в почву
из Саксмандхема (Суффолк)—трудную для обработки
валунно-глинистую почву — показали улучшение
структуры почвы. Когда эту почву инкубировали при 25°С с
количеством сока, как раз достаточным, чтобы создать
условия переувлажнения, начиналась ферментация:
через 24 ч почва слегка разбухла, через 48 ч объем почвы
почти удвоился в результате обильного образования
газа, и она оставалась в этом разбухшем состоянии после
высушивания. Аналогичные результаты были получены,
когда вместо сока использовали растворы сахарозы или
мелассы, содержавшие количества сахара, сравнимые с
его содержанием в соке.
Изменения в составе микроорганизмов в этой
системе изучались путем инкубации проб воздушно-сухой
почвы из Саксмандхема весом 10 г с 6 мл воды
(контроль) и с добавлением 0,3 или 3,0% раствора мелассы
в стеклянных сосудах размером 25X50 мм. Энергичное
выделение газа и последующее увеличение объема
почвы происходили одновременно с заметным увеличением
численности анаэробов, когда добавлялось 3% раствора
мелассы. Эти микроорганизмы хорошо росли также и
при 0,3% раствора мелассы в субстрате, хотя
образование газа и увеличение объема почвы были
незначительными.
Из культуры почвы с 3% мелассы было произвольно
взято 12 изолятов, и все они оказались спорообразую-
щими бактериями типа Clostridium butyricum и CI. pa-
steurianum. Десятью такими изолятами инокулировали
по отдельности склянки со стерильной почвой,
смешанной со стерильным раствором 3% мелассы перед
инкубацией. Во всех случаях был получен такой же
результат, как и при использовани нестерильной почвы.
Появление запаха масляной кислоты и изменение рН были
также аналогичны этим изменениям в нестерильной поч-
28
бе. Таким образом, изменения, наблюдавшиеся в
нестерильной почве, подтверждали предположение, что они
были вызваны сахаролитическими клостридиями. В
отделе почвоведения было получено доказательство, что
бактериальные полисахариды выстилали поры в
обработанной почве и благодаря этому разбухшая структура
сохранялась при высыхании [36].
ВНЕСЕНИЕ ЖИДКОГО НАВОЗА В ПОЧВУ
В прежние времена навоз животных, часто
содержавший солому, вносили в почву, как твердый материал,
вручную. В наше время экономические соображения
способствовали использованию жидкого навоза,
который можно вносить в почву механически из
автоцистерн. Такая практика создает проблемы загрязнения,
включая поверхностный сток органического материала
в реки и каналы, возможное распространение
патогенных организмов и накопление нежелательных ионов
металлов. Эти проблемы особенно актуальны там, где
необходимость удаления избытков навоза приводит к
внесению большего количества навоза в почву, чем
необходимо для ее удобрения. С большими количествами
навоза в почву поступает много воды; это
обстоятельство и заполнение почвенных пор частицами
органического вещества, переносимого водой вниз по профилю,
приводит к ограничению аэрации. Кроме того,
внесенное органическое вещество благоприятствует дыханию
микроорганизмов и созданию анаэробных условий
(частное сообщение Берфорда). Последствия длительного
внесения таких больших количеств жидкого навоза на
структуру и плодородие почвы еще предстоит выяснить.
ДРУГИЕ АСПЕКТЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ АНАЭРОБОВ
Два других почвенных процесса, связанных с
анаэробным метаболизмом микроорганизмов, также
заслуживают упоминания. Первый касается образования
этилена в концентрациях, способных вызвать повреждения
корней растений. Смит и С. Расселл [42] установили,
что при инкубации почвы, увлажненной до полевой вла-
гоемкости, при комнатной температуре в герметически
закрытых сосудах в почвенном воздухе можно
обнаружить этилен. Концентрация этилена возрастала в тече-
29
ние трех дней и затем оставалась довольно постоянной
на уровне 1 мкл/л в одной почве и 10 мкл/л в двух
других. Были обнаружены следы других углеводородов,
таких, как этан и пропан. Ряд микроорганизмов,
способных образовывать этилен в лабораторных культурах,
был указан Линчем [26]; два изолята дрожжей и гриб
Mucor hiemalis образовывали большое количество
этилена в чистых культурах.
РАЗЛОЖЕНИЕ ПЕСТИЦИДОВ
Как правило, органические соединения быстрее и
полнее разлагаются в аэробных условиях, чем в
анаэробных, но известен один случай, когда пестицид,
устойчивый к разложению в аэробных условиях,
подвергается по меньшей мере частичному разложению при
недостатке кислорода. Гуэнзи и Бирд [24] установили,
что после 12 недель инкубации почвы в анаэробных
условиях в ней удавалось обнаружить менее 1% дозы
ДДТ, внесенной в эту почву; в аналогичным образом
обработанной аэробной почве после такого же периода
инкубации было обнаружено примерно 75%
первоначальной дозы ДДТ. Бердж [11] установил, что ДДТ
в анаэробных условиях в некоторой степени
превращался в ДДД. Этот процесс подавлялся автоклавировани-
ем, но возобновлялся, после того как почву инокулиро-
вали небольшим количеством нестерильной почвы.
Анаэробное разложение ДДТ ускорялось при добавлении
глюкозы или растительных остатков. Процесс
разложения был крайне чувствителен к присутствию
кислорода. Единственным обнаруживаемым остаточным
продуктом во всех случаях был ДДД, в количествах,
эквивалентных примерно 26% от первоначально внесенного
ДДТ. Никаких других продуктов разложения ДДТ не
было обнаружено, что могло бы объяснить отсутствие
остальных 74% ДДТ.
1.5. РЕЗЮМЕ И ВЫВОДЫ
Изучение анаэробных микроорганизмов в почве
выявляет большое разнообразие их типов и функций.
Возможно, некоторые из протеолитических клостридий
вовсе не должны рассматриваться как истинные
почвенные формы. Они безусловно хорошо развиваются в ки-
30
шечном тракте, где удовлетворяются их требования к
высокой оптимальной температуре. Тем не менее они в
какой-то степени могут размножаться и в почве, и
несомненно играют важную роль в начальном разложении
белковых остатков.
Переувлажнение почвы, при котором вытесняется
воздух, быстро приводит к аноксии; анаэробы
активизируются, и в результате брожения накапливаются такие
вещества, как органические кислоты и спирты. Позднее
эти вещества служат субстратами для бактерий,
образующих метан, активизируемых, когда окислительно-
восстановительный потенциал становится достаточно
низким. Присутствие нитратов, поддерживающих
окислительно-восстановительный потенциал на высоком
уровне, предотвращает образование метана. При
наличии нитратов и при обилии органического вещества
денитрификация может продолжаться, пока запас
нитратов не истощится; только после этого начинается
выделение метана. Таким образом, недостаток кислорода,
если он будет длительным, приводит сначала к потере
азота в результате денитрификации и в конечном итоге
к возникновению сильно восстановленных условий, что
может вредить культурным растениям.
Совершенно очевидно, что анаэробы могут хорошо
развиваться, даже если пористое пространство почвы
заполнено воздухом, при условии наличия достаточных
количеств легко разлагаемого органического вещества
и при температуре почвы, достаточно высокой, чтобы
микроорганизмы поглощали кислород быстрее, чем он
может диффундировать в почвенные поры из
атмосферы. Этот процесс диффузии изучался и был найден
подходящим для математической обработки [15, 23].
Желательно, чтобы почвенные поры и каналы обеспечивали
достаточную диффузию воздуха для удовлетворения
потребности в нем корней растений и аэробных
микроорганизмов, разлагающих органическое вещество. Это
условие обычно обеспечивается в обрабатываемых почвах
созданием соответствующего дренажа.
Представление о почве, по крайней мере хорошей
пахотной почве, как состоящей из агрегатов,
исключительно тонкая структура пор которых так эффективно
задерживает диффузию газов, что их внутренняя часть
часто лишена кислорода, также подвергалось
математической обработке [16]. Наличие таких зон с мест-
31
ным недостатком кислорода, вероятно, объясняет,
почему слабая денитрификация может происходить в
хорошо аэрируемой почве [9, 10, 22, 30]. Как нежелательная
денитрификация, так и полезная фиксация азота
требуют одинаковых условий недостатка кислорода и наличия
органического вещества. Однако денитрификация
может продолжаться, только когда имеются нитраты или
нитриты, а фиксация азота подавляется в присутствии
любой из многих форм связанного азота.
Кажется очевидным, что почвенные агрегаты часто
бывают лишены кислорода, но при современном уровне
наших знаний совсем не ясно, должны ли эти агрегаты
быть более аэробными при соответствующей обработке
почвы, чтобы предотвратить денитрификацию или же
желательна некоторая потеря кислорода для
обеспечения максимальной устойчивости агрегатов,
предотвращения слишком быстрого окисления почвенного
органического вещества и поддержания фиксации азота.
Безусловно нельзя предполагать, что отсутствие кислорода
без сомнения вредно. Необходимо дальнейшее
исследование почвенных анаэробов, их деятельности и условий,
благоприятных для их роста, чтобы решить эти
проблемы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Agricultural Advisory Council. Modern Farming and
the Soil. Report of the Agricultural Advisory Council on Soil
Structure and Soil Fertility. HMSO, London (1970).
2. А г k с о 11 D. В., Davys M. N. G. The production and use of
leaf protein. The Chemical Engineer, No. 251, July, 261—264
(1971).
3. Barrow N. J., Jenkinson D S. The effect of
water-logging on fixation of nitrogen by soil incubated with straw, Plant
and Soil, 16, 258—262 (1962).
4. В e 11 R. G. Studies on the decomposition of organic matter in
flooded soil, Soil Biology and Biochemistry, 1, 105—116 (1969).
5. В i 11 у С. Etude d'une bacterie chitinolytique anaerobie
Clostridium chitinophilum n. sp., Annates de I'Institut Pasteur (Paris),
116, 75—82 (1969).
6. В о n i с k e R., J u h a s с S. E., Diemer U. Studies on the
nitrate reductase activity of mycobacteria in the presence of fatty
acids and related compounds, American Review of Respiratory
Diseases, 102, 507—515 (1970).
7. В о о t h G. H. Sulphur bacteria in relation to corrosion, /. Applied
Bacteriology, 27, 174—181 (1964).
8. Breed R. S., Murray E. C. D., Smith N. R. Bergey's
32
Manual of Determinative Bacteriology. 7th edition. Bailliere,
Tindall and Cox, London (1957)Г
9. Bremner J. M., Shaw K- Denitrification in soil. II. Factors
affecting denitrification, /. Agricultural Science (Cambridge), 51,
40—51 (1958).
10. В road bent F. E., S to j a no vie B. F. The effect of partial
pressure of oxygen on some soil nitrogen transformations, Proc.
SSSA, 16, 359—363 (1952).
П. В urge W. D. Anerobic decomposition of DDT in soil.
Acceleration by volatile components of alfalfa, J. of Agricultural and Food
Chemistry, 19, 375—378 (1971).
12. Campbell L. L., P о s t g a t e J. R. Classification of the spore-
forming sulfatereducing bacteria, Bacteriological Reviews, 29,
359—363 (1965).
13. Collins F. M. Effect of aeration on the formation of nitrate-
reducing enzymes by Ps. aeruginosa, Nature, 175, 173—174
(1955).
14. Culbert D. L. The use of a multi-celled apparatus for
anaerobic studies of flooded root systems, Hortscience, 7, 29—31
(1972).
15. Currie J. A. Gaseous diffusion in the aeration of aggregated
soils, Soil Science, 92, 40—45 (1961).
16. Currie J. A. Diffusion within soil microstructure. A structural
parameter for soils, /. Soil Science, 16, 279—289 (1965).
17. Day J. M., Harris D., D a r t P. J., V a n Berkum P. The
Broadbalk experiment. An investigation of nitrogen gains from
non-symbiotic fixation, in IBP Synthesis Volume on Nitrogen
Fixation. Cambridge University Press (in press).
18. Емцсв В. Т., Развожевская 3. С, Дзадзамия Т. Д.
Географическое распределение почвенных анаэробных азотфик-
сирующих бактерий Clostridium, Известил АН СССР, серия
биол., 5, 705—712 (1969).
19. Garcia M. M., McKay К. A. On the growth and survival of
Clostridium septicum in soil, /. Applied Bacteriology, 32, 362—370
(1969).
20. G а у о n V., D u p e t i t G. Recherches sur la reduction des
nitrates par les infiniment petits, Memoires de la Societe des
Sciences Physiques et Naturelles de Bordeaux, 2, 201—208
(1886).
21. Gibbs В. М., Freame B. Methods for the recovery of
Clostridia from foods, /. Applied Bacteriology, 28, 95—111 (1965).
22. Greenwood D. J. Nitrification and nitrate dissimilation in
soil. II. Effect of oxygen concentration, Plant and Soil, 17,
378—391 (1962).
23. G r e e n w о о d D. J. Measurement of microbial metabolism in
soil, in The Ecology of Soil Bacteria: Symposium, Liverpool, 1965
(ed. by T. R. G. Gray, D. Parkinson). Liverpool University Press
(1968).
24. G u e n z i W. D., Beard W. E. Anaerobic conversion of DDT
to DDD and aerobic stability of DDT in soil, Proc. SSSA, 32,
522—524 (1968).
3 Почвенная микробиология
33
25. Jensen H. L. Notes on the microbiology of soil from Northern
Greenland, Meddelelser Gr0nland, 142, 23—29 (1951).
26. Lynch J. M. Identification of substrates and isolation of
microorganisms responsible for ethylene production in the soil, Nature,
240, 45—46 (1972).
27. M с С a r t у Р. L. Energetics of organic matter degradation, in
Water Pollution Microbiology (ed. by R. Mitchell). Wiiey/Inter-
science, New York (1972).
28. M e i к 1 e j о h n J. Microbiology of the nitrogen cycle in some
Ghana soils, Empire J. Experimental Agriculture, 30, 115—126
(1962).
29. M e i к 1 e j о h n J. Microbiology of Broadbalk soils, Report of
Rothamsted Experimental Station for 1968, Part 2, 175—185
(1969).
30. Myers R. J. K-, M с G a r i t у J. W. Denitrification in
undisturbed cores from a solodized solonetz В horizon, Plant and Soil,
37, 81—89 (1972).
31. Payne W. J. Reduction of nitrogenous oxides by
micro-organisms, Bacteriological Reviews, 37, 409—452 (1973).
32. Pirie N. W. (ed.). Leaf Protein: its Agronomy, Preparation
Quality and Use. IBP Handbook No. 20. Blackwell, Oxford and
Edinburgh (1971).
33. Post gate J. R., Campbell L. L. Classification of Desul-
fovibrio species, the nonsporulating sulfate-reducing bacteria,
Bacteriological Reviews, 30, 732—738 (1966).
34. Report of Rothamsted Experimental Station
for 1969, Part 1: Nitrogen-fixing soil Clostridia, 100—101
(1970).
35. Report of Rothamsted Experimental Station
for 1970. Part 1: Nitrogen-fixing Clostridia and Survey of
Clostridium botulinum in soils, 91 (1971).
36. Report of Rothamsted Experimental Station
for 1971,- Part 1: Soil anaerobes and soil structure, 88—89
(1972).
37. R u s s e 11 E. J., A p p 1 e у а г d A. The atmosphere of the soil:
its composition and the causes ofy variation, /. Agricultural Science
(Cambridge), 7, 1—48 (1915). '
38. R u s s e 1 E. J., Richards E. H. The changes taking place
during the storage of farmyard manure, /. Agricultural Science
(Cambridge), 8, 495—563 (1917).
39. S к i n n e r F. A. The enrichment and isolation of anaerobic cel-
lulolytic soil bacteria, in Anreicherungskultur und Mutantenauslese:
Symposium, Gottingen, 1964. Zentrallblatt fur Bakteriologie, Para-
sitenkunde, Infektionskrankheiten und Hygiene, Abt. I. Supplement-
heft 1, 91—94 (1965).
40. S к i n n e r F. A. The anaerobic bacteria of soil, in The Ecology
of Soil Bacteria: Symposium, Liverpool, 1965 (ed. by T. R. G. Gray,
D. Parkinson). Liverpool University Press (1968).
41. Skinner F. A. The isolation of soil Clostridia, in Isolation of
Anaerobes (ed. by D. A. Shapton, R. G. Board). The Society for
34
Applied Bacteriology Technical Series No. 5. Academic Press,
London (1971).
42. S m i t h K. A., S с о 11 Russell R. Occurrence of ethylene,
and its significance, in anaerobic soil, Nature, 222, 769—771
(1969).
43. Waring S. A., Bremner J. M. Ammonium production in soil
under waterlogged conditions as an index of nitrogen availability,
Nature, 201, 951—952 (1964).
44. Willis A. T. Clostridia of Wound Infection. Butterworths,
London (1969).
45. Winogradsky S. "Clostridium Pastorianum, seine Morpho-
logie und seine Eigenschaften als Buttersaureferment", Zentralblatt
fur Bakteriologie, Parasitenkunde, Infektionskrankheiten und
Hygiene, Abt. II. 9, 43—54, 107—112 (1902).
46. Winogradsky S. Sur Tetude de I'anaerobiose dans la terre
arable, Compte Rendu Hebdomadaire des Seances de VAcademie
des Sciences, 179, 861—863 (1924).
2
МИКРООРГАНИЗМЫ РИЗОСФЕРЫ —
ПРИСПОСОБЛЕНЦЫ, ГРАБИТЕЛИ
ИЛИ БЛАГОДЕТЕЛИ
М. Э. БРЛУН (М. Е. BROWN)
Большая популяция микроорганизмов в почве
существует в состоянии, которое часто характеризует как
«неустойчивое равновесие», т. е. в таком состоянии, когда
каждая особь в любой данный момент находится в
равновесии со своим соседом, но изменения во внешних
условиях ведут к изменению равновесия. Если почва не
подвергается обработке, оставаясь в одних и тех же
условиях, то суточные изменения в равновесии
незначительны главным образом потому, что отсутствуют
доступные источники энергии. Если в эту среду вводят
растения, то для микроорганизмов вся ситуация резко
меняется, потому что растения относятся к основным
поставщикам питательных веществ в почву. Поэтому
неудивительно обнаружить популяцию микроорганизмов,
использующих это изобилие, в частности, в зоне роста
корней, обычно называемой ризосферой. Ризосфера это
не однородная, четко ограниченная область, а зона с
градиентом численности микроорганизмов, идущим от
поверхности корней, пли ризопланы, где воздействие на
микроорганизмы наиболее сильно, вплоть до одного или
двух сантиметров от поверхности корней, где их
воздействие минимально. Протяженность этого градиента
зависит в основном от вида растения. Часто эффект
ризосферы выражают в виде отношения R/S, т. е.
отношения числа микроорганизмов в ризосферной почве к их
числу в свободной от корней почве. Корни сильно, но
избирательно стимулируют размножение бактерий,
грибов, актиномицетов и свободноживущих нематод.
Водоросли и простейшие не стимулируются непосредственно,
но их численность возрастает, потому что увеличение
численности бактерий означает увеличение запаса пищи
для них. (Значительной частью наших фундаменталь-
36
ных сведений о ризосфере мы юбязаны Канадской
школе микробиологов, руководимой ранее Л. Дж. Локхи-
дом, а затем X. Катцнельсоном.)
По мере проникновения корней в почву клетки
корневого чехлика запасают питательные вещества вблизи
кончика и зоны удлинения корня, но по мере старения
растений корневые волоски и клетки коры отмирают и
весь корень со временем отмирает, после чего все эти
ткани становятся доступными для питания многих
микроорганизмов. Старые и разлагающиеся корни обеспе-
чивают пищей большую и разнообразную популяцию
видов, из которых обычно не все встречаются в более
избранном сообществе микроорганизмов молодых
здоровых корней; это позволяет думать, что остатки
растительных клеток представляют собой менее
избирательный субстрат, чем выделения корней Зона удлинения
корней в 1—3 см от кончика — это главный участок
выделения, но более старые части корней также
поставляют значительные количества органических
соединений, а зона боковых корней после появления всходов
также активна, особенно у кончиков боковых корней. На
концах корневых волосков также появляются капельки.
Несомненно, активные здоровые корни выделяют
достаточно органического материала для питания большой
популяции микроорганизмов. Например, корни двух- и
восьминедельных растений пшеницы, растущих в поле,
поддерживают существование 1,5X106 бактерий на 1 мг
сухих корней [3]. У молодых растений пшеницы 1—2%
углерода, поступающего в корни, выделяется в почву:
0,2—0,4% в виде водорастворимого экссудата и
0,8—1,6% в виде нерастворимых слизистых материалов,
включая отслаивающиеся клетки корневого чехлика.
Высушенные корни пшеницы содержат приблизительно
40% углерода, и, таким образом, общее количество
освобождаемого органического материала может составлять
4—8 мкг на 1 мг сухих корней. Различные опыты с од-
новозрастными растениями, выращенными в одинаковых
культуральных условиях, показывают, что качество и
количество выделяемых соединений значительно
отличаются у разных видов, каждый из которых располагает
характерной для него корневой микрофлорой.
Количество питательных веществ определяет размер популяции,
а их качество определяет природу сопутствующей
микрофлоры.
37
Корневые выделения содержат небольшие
количества разнообразных соединений, включая сахара,
аминокислоты, пептиды, ферменты, витамины, органические
кислоты, нуклеотиды и в следовых количествах
различные вещества со специфической биологической
активностью, такие, как фактор, ускоряющий вылупление
нематод из цист и аттрактанты грибных зооспор [30].
Некоторые из них могут диффундировать в стороны от
корня или адсорбироваться почвой, но расчеты
ожидаемой численности популяции микроорганизмов,
основанные на энергетическом потенциале этих веществ,
хорошо согласуются с фактическими подсчетами,
проведенными стандартным чашечным методом, хотя он и дает
оценку только части прикорневой популяции [3].
В большинстве случаев при исследовании корневых
выделений растения выращивают в стерильных
условиях, нередко в питательных растворах, что несомненно
необходимо, если требуется изучить вещества,
образованные только самим растением; иначе загрязняющие
их микроорганизмы быстро метаболизируют и изменяют
количество и состав выделений, а также проницаемость
клеток корня или рост корней. Можно ли
предполагать, что выделения растений, растущих в условиях,
очень отличных от тех, что имеются в почве, идентичны
тем, что образуются в почве? Сравнения могут быть
обоснованными, но значимость результатов в отношении
эффекта ризосферы следует оценивать осторожно.
Попытку изучить выделения сеянцев томатов в почве
сделали Субба Рао, Бидвелл и Бейли [35], используя
меченную 14С двуокись углерода и измеряя
радиоактивность фильтрата после промывания почвы. Различные
сорта томатов выделяли разные количества
радиоактивных компонентов с градиентом концентрации,
убывающим по мере удаления от корней. После кислотного
гидролиза почвы удалось учесть только часть этих веществ,
которая, возможно, представляет собой выделенные
корнями и фиксированные микроорганизмами соединения.
Прорастающие семена выделяют большие
количества питательных веществ, но здесь соотношение
соединений иное, чем в выделениях корней, и обычно они
сложат для питания весьма смешанной популяции.
Сравнивая экссудаты семян и проростков ячменя, пшеницы,
огурцов и фасоли, Ванчура и, Ханзликова [39]
установили в общем, что азот в экссудатах семян состоял боль-
38
ше из пептидов и белков, чем из свободных
аминокислот, тогда как для экссудатов корней наблюдалось
обратное. Спектр аминокислот был аналогичным в обоих
типах выделений, так же как и органических кислот, но
сахара, особенно кето-сахара, значительно различались;
кроме того, корни выделяли больше редуцирующих
Сахаров, чем семена. Все растения, изучавшиеся Ванчу-
рой и Ханзликовой [39], имели крупные семена, и в их
выделениях была разница в относительных количествах
каждого из соединений. Изучение выделений
бесконечного разнообразия видов растений может дать широкий
ряд соединений и их сочетаний, но исследования таких
выделений только начаты.
Факторы внешней среды могут влиять на характер
корневых выделений. Например, высокая интенсивность
освещения и высокая температура, временное увядание
растений и, конечно, повреждения корней — все это
способствует выделениям. Разница в питании растений,
вероятно, ведет к изменениям в составе корневых
выделений, хотя по этому важному вопросу было проведено
мало исследований. Внекорневое внесение некоторых
питательных веществ, таких, как мочевина, заметно
увеличивает содержание в корневых выделениях
глюкозы, фруктозы, глютамина и а-аланина и снижает
содержание органических кислот.
Хотя корневые выделения и избирательны для
бактерий, они, по-видимому, не избирательны для грибов,
поскольку в равной мере поддерживают рост сапрофн-
тов и патогенов и стимулируют прорастание многих
грибных спор. Заражение растений почвенными
патогенными организмами — это обширная тема и не
может подробно обсуждаться в этой главе, но влияние
взаимодействия температуры и выделений на грибную
инфекцию может служить хорошим примером того, как
все сообщество ризосферы реагирует в конкретной
ситуации. Корневые выделения земляники, растущей при
5 и 10°С, но не при 20 и 30°С, стимулируют
прорастание спор и рост мицелия Rhisoctonia fragariae —
патогенного организма, вызывающего значительное
выпадение растений земляники в холодных почвах, но лишь
небольшое загнивание в теплой почве [19]. Низкая
температура почвы от 5 до 15°С обычно задерживает
прорастание семян и рост проростков, но не корневые
выделения, и, таким образом, молодое растение в течение дол-
39
гого времени находится в среде, пригодной для
патогена. У других видов растений и возбудителей болезней
низкие температуры могут быть благоприятны для
микробов, конкурирующих с патогенным организмом за
питательные вещества, чем снижается его инфекцион-
ность, поскольку многие патогены нуждаются в
определенном уровне питания, прежде чем они станут
способными к инфицированию. С другой стороны,
микроорганизмы могут образовывать антагонистические вещества,
подавляющие патогенный организм в микроучастке
корня проростка. Однако весь вопрос об антибиозе, как
механизме подавления болезней, сложен, и, возможно,
антибиоз лишь редко участвует в этом. Выдающийся
пример предотвращения болезни флорой ризосферы
дает полная иммунность кукурузы к техасской гнили
корней, вызываемой Phymatotrichum omnivorum, когда
кукурузу выращивают в почве или в нестерильной смеси
песка с бентонитом, инокулированной возбудителем.
В стерильных условиях, т. е. без ризосферной
микрофлоры этот возбудитель неизменно вызывает гибель
растений [12].
Другие факторы, участвующие в ризосферном
эффекте, требуют гораздо большего изучения. Одним из
примеров может служить газовая среда, окружающая
корни, но здесь много технических трудностей в
проведении измерений. Общий состав газовой фазы почвы
вряд ли позволяет делать заключения; для
микроорганизмов важна именно локальная концентрация
различных газов в разных местах вдоль корня, а также на
почвенных комочках и внутри них. Можно было бы
ожидать низкой концентрации кислорода и высокой —
двуокиси углерода в результате дыхания корней и
микроорганизмов, но недавняя работа Гринвуда [18] о
концентрации двуокиси углерода в водной фазе
аэробных почв позволяет думать, что рост корней или
микроорганизмов, вероятно, будет прекращен при недостатке
кислорода раньше, чем на него воздействует избыток
двуокиси углерода; таким образом, популяция в
ризосфере может быть популяцией, переносящей или даже
предпочитающей условия низкого парциального
давления кислорода для оптимального роста.
Колонии бактерий образуются в зоне удлинения
корней — в зоне с наибольшим содержанием питательных
веществ — в течение немногих часов после появления
40
корня. Первоначально они встречаются в виде очень
удаленных друг от друга небольших гроздей клеток,
но по мере старения корней колонии увеличиваются в
размере и могут со временем образовать чехол вокруг
корня. Фостер и Ровира [13] изучали пространственное
распределение микроорганизмов на корнях пшеницы в
поле, используя ультратонкие срезы, и установили, что
колонизация зародышевых корней была скудной и
главным образом в местах соединения корковых клеток;
молодые центральные корни покрыты однородным
слоем почвы, содержащей мало бактерий, но старые
центральные корни имели большие скопления бактерий как
внутри, так и снаружи. Немногочисленные бактерии на
семенной оболочке дополняли популяцию на корнях,
хотя обе группы организмов вдогут использовать
выделения семени и корня в качестве субстрата;
предположительно у этих бактерий с семян, заселяющих корни,
имеются специфические требования, которым отвечает
прикорневая среда.
Недавно обнаружен внешний слизистый слой, или
«слизегель» («mucigel»), на корнях и корневых
волосках и особенно вокруг корневых чехликов растений,
выращиваемых как в стерильных условиях, так и в
почве [16]. По крайней мере часть этого слизегеля,
видимо, растительного происхождения, но микроорганизмы,
вероятно, участвовали в его образовании и, кроме того,
вызывали изменения в его структуре; электронные
микрофотографии показывают, что слизегель
непосредственно около клеток микроорганизмов отличается от
основной массы этого материала. Слизегель, возможно,
служит субстратом для микроорганизмов, особенно
поскольку он содержит полисахариды и пектиновые
полимеры (они были определены), но его присутствие на
нестерильных корнях свидетельствует о том, что его
использование микроорганизмами ограниченно или, что
возможно, слизегель непрерывно образуется вдоль
корня. Бактерии погружены в слизегель, и это может*
помогать их видам-пионерам предотвращать последующее
заселение микробами; кроме того, это может влиять на
передвижение химических соединений и
микроорганизмов между корнем и окружающей почвой. Так как это
может быть непрерывный слой, он может мешать
диффузии газов, способствуя этим созданию анаэробиоза у
поверхности корней. Возможно, его возрастающая толщи-
41
на у корневого чехлика (по некоторым измерениям
2,5 мкм) отчасти объясняет, почему микроорганизмы
редко заселяют эту область, несмотря на обилие питательных
веществ в форме клеток корневого чехлика и экссудатов,
Слизегель может сохранить популяцию ризопланы в
засушливый период, так как погруженные в него
организмы менее вероятно подвергнутся иссушению, если толь-
ко сам корень не высохнет настолько, что отомрет.
Популяция ризосферы не имеет такой защиты и
сокращается при засушливых условиях; что же фактически
происходит с популяцией ризопланы при этих условиях,
еще предстоит определить/ В настоящее время мы
можем только гадать об экологическом и физиологическом
значении слизегеля.
Различия между микрофлорой корней и почвы могут
быть объяснены только наличием разных источников
энергии и, следовательно, особыми условиями среды, но
ни метаболическая изменчивость самого организма, ни
особенности питания и физиологии не могут объяснить
отбора определенных видов.
Если допустить избирательное стимулирование
микроорганизмов вокруг корней, то в чем же роль этой
популяции? Является ли эта микрофлора всего лишь
популяцией приспособленцев, использующих среду и не
дающих ничего взамен или даже берущих что-то от
растения? Большинство ответов на эти вопросы связано с
ролью бактерий, потому что это численно
преобладающие представители популяции. Численность грибов
возрастает гораздо слабее, чем численность бактерий, но
это не обязательно означает, что они менее важны,
потому что требуется меньше единиц крупных гиф, чтобы
они были эквивалентны тысячам бактерий. Мало
известно о роли корневых грибов, тех, что находятся в
ризосфере или же прочно прикрепленных к поверхности
корня, но многочисленные опыты выявили следующие
основные факты, касающиеся их роста [27].
Грибные популяции отличаются в двух зонах около
корней и изменяются по мере старения растений вплоть
до постоянного сообщества из немногих преобладающих
родов. Немногие грибы заселяют корень, переходя на
него с семян; на поверхности корня прорастают споры,
покоившиеся в почве, пока близость корня не
стимулировала их прорастание. Грибы не заселяют корень по
крайней мере в течение 24 ч после прорастания спор, и,
42
вероятно, последующая колонизация боковых корней
более важна, чем рост мнцелня вниз вдоль корней из
первоначальной точки. В течение среднего периода
жизни растения большая часть поверхности корня свободна
от грибов, но по мере созревания активность мицелия
возрастает и эти пространства и внутренние ткани
корня заселяются.
Многие генеративные клетки грибов подвержены
внешнему регулированию в форме фунгистатического
действия почвы. Даже если почвенные условия
благоприятны, жизнеспособные генеративные клетки не
прорастают, и рост мицелия замедляется или прекращается
не по причине эндогенного покоя или температуры и
содержания воды в почве, а вследствие других факторов,
которые все еще остаются невыясненными. Отзывчивость
на фунгистатическое действие почвы вероятна для
жизненного цикла любого почвенного гриба, потому что
большинству грибов приходится переживать периоды,
когда субстрата нет или он имеется в минимальном
количестве, и если в течение такого периода споры
прорастают самопроизвольно или гифы начинают расти, то
это, вероятно, приводит к их истощению и гибели.
Фунгистатическое действие почв регулирует такой рост, и
оно обычно преодолевается факторами,
благоприятствующими развитию гриба. Фунгистатическое действие
преодолевается в ризосфере, споры прорастают, и вокруг
корней вырастает мицелий. Это явление имеет большое
значение для индуцирования и поддержания фунгиста-
зиса и его устранения — это те процессы, через
которые должен пройти почвенный, патогенный для
растений, организм, чтобы поддержать свой инокуляционный
потенциал к восприимчивым хозяевам. Всякое
вмешательство в эти процессы может привести либо к
снижению, либо к увеличению численности патогена.
Бактерии также, по-видимому, подвержены процессу,
близкому к фунгистатическому действию и называемому
бактериостатическим действием, которое ограничивает
их рост, исключая те случаи, когда условия
благоприятны. Бактерии, избирательно стимулируемые в
ризосфере пшеницы, не размножаются в почве в стороне от
корней; в ризосфере или отсутствует бактериостатический
фактор, или же она содержит вещества, которые
частично или полностью отсутствуют в почве и совершенно
необходимы для преодоления подавления [б].
43
Бактерии- в корневой зоне безусловно
приспособленцы, использующие имеющиеся питательные вещества
для усиленного размножения; как правило, это грамот-
рицательные палочки и плеоморфные формы,
принадлежащие, в частности, к группам, сбраживающим
углеводы и разлагающим целлюлозу, способным к
аммонификации и денитрификации. Эти бактерии более активны
физиологически, чем показывают манометрические
опыты, когда регистрируется усиленное поглощение кисло-
рода ъ присутствии таких веществ, как сахароза,
глюкоза, ацетат, сукцинат и аланин [41].
Соотношения между ризосферными и почвенными
формами чаще всего лежат в пределах от 5 до 20, в
зависимости от вида растений и их возраста, и большая
доля ризосферных, чем почвенных бактерий, требует
наличия аминокислот для максимального роста, но эти
организмы менее требовательны в отношении готовых
органических соединений, витаминов и факторов роста,
подобно тем, что содержатся в дрожжевых или
почвенных вытяжках. Процент изолятов из ризосферы,
требующих витамина Bi2, меньше, чем изолятов из почвы, но
фактическое число таких бактерий больше, и многие
получают нужные им тиамин, биотин или витамин Bi2
от бактерий, нуждающихся в аминокислотах, которые
могут синтезировать эти вещества, или от грибов ризо-
планы [9]. Обилие различных бактерий вовсе не
обязательно означает, что какая-либо одна группа более
активна, чем другая* например, хотя
денитрифицирующие бактерии стимулируются, нет доказательств, что
денитрификация в общем происходит быстрее, однако
в отдельных анаэробных участках денитрификация
может быть очень значительной. Было доказано, что из
азота удобрений, вносимого на постоянных кормовых
угодьях, в результате улетучивания теряется 15—37%,
если содержание воды в почве ниже полевой влагоемко-
сти. Потери нитратных удобрений вдвое выше, чем из
аммиачных. Эти результаты были приписаны большим
популяциям денитрифицирующих бактерий и большему
поглощению кислорода и выделению доноров водорода
корневыми системами [31]. Обилие аммонифицирующих
бактерий означает, что может быть освобождено
больше аммиака из подходящих субстратов в ризосфере,
чем в почве, где нет корней [33]. Точно так же можно
ожидать более быстрого разложения аминокислот, свя-
44 4
занного с освобождением аммиака. Бактерии,
использующие углеводы или разлагающие целлюлозу,
изобилуют вокруг корней, где они обеспечены субстратом,
но трудно представить, каким образом они могут быть
полезны растению, хотя они, вероятно, помогают друг
другу, в частности, разрушая целлюлозу с образованием
доступного углерода.
Микроорганизмы ризосферы влияют на доступность
азота. Горинг и Кларк [15] доказали, что в ризосфере
содержалось меньше азота, чем нитратов, которые
должны были бы образоваться в незасеянной почве.
Нитрификация происходила, но азот сразу же связывался
микроорганизмами.
Как следствие их потребности в минералах для
роста растения и микрофлора ризосферы всегда
конкурируют за них, и там, где минералов недостаточно,
растение может пострадать первым. Слой микроорганизмов
снаружи корней в сочетании с кратковременностью
жизни их поколений означает, что они первыми используют
минералы в почвенном растворе и быстро усваивают то,
что им нужно; это может вызывать недостаток
минеральных веществ для растений. С другой стороны
бактерии могут отрицательно влиять на растения, связывая
жизненно важные для них элементы. Болезни
недостаточности— мелколистность плодовых деревьев и серая
пятнистость овса — обусловлены соответственно
бактериальным связыванием цинка и окислением
марганца Щ.
Интересный пример влияния микрофлоры ризосферы
на содержание молибдена в растениях был описан Лутит
и др. [22—24]. При зубоврачебном обследовании
населения в районе Хокс-Бэй в Новой Зеландии была
отмечена разница в распространении кариеза зубов в двух
округах Нэпир и Гастингс Овощи, выращиваемые на
почвах Нэпира, содержали больше алюминия,
молибдена и титана и меньше бария, меди, марганца и
стронция, чем овощи из Гастингса. И та и другая почвы
произошли из сходных материнских пород, но в результате
землетрясения территория, которая ранее была лагуной,
была поднята на 3 м в округе Нэпир и в последующем
была использована под товарное овощеводство и для
заселения. Было сочтено, что кариез зубов связан с
содержанием молибдена в овощах, и, поскольку почвы
были по происхождению сходными, высказали предпо-
45
ложение, что на поглощение минералов растениями
отрицательно влияет деятельность микроорганизмов
корневой зоны. В качестве тест-растения использовали
редис. Выяснилось, что численность микроорганизмов в
ризосфере растений, выращивавшихся в двух почвах,
была одинаковой. Тем не менее растения, росшие в
питательном растворе, инокулированном ризосферной
почвой из Гастингса, содержали меньше молибдена, чем
растения с инокулятом из Нэпира. В опытах с
перекрестной инокуляцией томатов и редиса популяция
ризосферы оказывала аналогичное влияние: микрофлора
почвы из Гастингса сильнее снижала содержание
молибдена в растениях, чем микрофлора почвы из Нэпира.
Было также доказано, что активность
микроорганизмов ризосферы влечет за собой снижение поглощения
других элементов, таких, как сера [34], кальций и
рубидий [38].
Влияние микроорганизмов на поглощение и
перемещение фосфора привлекло значительное внимание и
подробно обсуждается в другой главе. Герретсен [14]
25 лет назад доказал, что поглощение фосфатов
растениями, росшими в стерилизованной почве, содержащей
нерастворимые фосфорные соединения, усиливалось при
добавлении почвенного инокулюма. Микроорганизмы,
выделенные из почвы, растворяли фосфат кальция,
суспендированный в питательном агаре. Эти открытия
послужили стимулом для многих исследований
распределения организмов, способных освобождать фосфор из
органических и минеральных фосфатов; такие
организмы были обнаружены во многих окультуренных почвах
и изобиловали в ризосфере. Однако результаты опытов
с поглощен! зм фосфатов, проведенных на песчаных
культурах, не могут экстраполироваться на почву,
поскольку недавно было доказано, что почва,
добавленная к песчаным культурам, или почва в чистом виде
подавляет разложение органических фосфатов [17], и
организмы, способные минерализовать органические
фосфаты в культуре, не могут делать это в почве [25].
Нет также доказательств непосредственного участия
почвенных микроорганизмов в освобождении
минеральных фосфатов.
Каким же образом может быть объяснен лучший
рост растений Герретсена? Были ли они крупнее,
потому что поглощали больше фосфатов, или же какой-то
46
Рис. 1. Влияние различных почвенных микроорганизмов на корни
проростков пшеницы в аксенной культуре:
Az — азотобактер; Fu F2 — разные виды грибов; К— контроль
иной фактор усиливал их рост, что само по себе
приводило к большему поглощению фосфатов? Изучение
фотографий, опубликованных в работе Герретсена,
показывает, что все инокулированные растения имели
удлиненные междоузлия и более крупную листовую
поверхность и что их цветение было ускорено, т. е. все признаки
обработки корней небольшой дозой ростового
гормона типа гиббереллина. В настоящее время известно,
что почвенные микроорганизмы образуют следовые
количества ростовых веществ, оказывающих заметное
влияние на рост растений [4, 6] (см. рис. 1), и организмы,
использованные Герретсеном, могли образовывать
такие гиббереллиноподобные вещества.
Микрофлора ризосферы в общем, вероятно, влияет
на рост растений, образуя вещества, регулирующие рост.
Свейби [36] был одним из первых, доказавших, что
растения, выращиваемые в присутствии почвенных
микроорганизмов, могут быть вдвое выше растений, росших
в стерильных условиях. Он высказал предположение,
что микробы в сочетании с органическим веществом
часто образуют и стимулирующие и подавляющие
вещества; эти вещества могут быть идентичными, стимулируя
47
рост, когда их содержание в тканях растений невелико,
как в быстрорастущих растениях, или подавляя рост,
если они присутствуют в больших количествах, как в
медленно растущих растениях.
Корневая зона проростков пшеницы содержит много
бактерий, активно образующих индолил-3-уксусную
кислоту (ИУК), когда в субстрате содержится
триптофан, но эта популяция не так многочисленна в
корневой зоне более старых растений [4]. Таким образом, на
молодых корнях обитают популяции бактерий,
способных образовывать ИУК в то время, когда вероятно
присутствие триптофана в экссудате корней. В настоящее
время имеется достаточно доказательств, что корни
могут поглощать целый ряд органических соединений,
включая соединения индола, и зона поглощения, по всей
вероятности, является зоной дифференциации
растительных тканей, где корневые волоски наиболее
многочисленны и где наиболее богата прикорневая микрофлора.
Таким образом, поглощение экзогенной ИУК
увеличивает содержание ауксина в тканях [32]. Рост корней
частично регулируется ауксином [37]; снижение
скорости роста — это, по-видимому, косвенное влияние
этилена, образование которого индуцировано ауксином.
Именно этилен и является непосредственным
ингибитором. Обычно подавление роста корней вызывает их
утолщение, и это происходит в результате
взаимодействия с цитокинином. Иногда краткое воздействие акуси-
ном стимулирует рост корней; сначала он подавляется,
но в последующем он стимулируется. При очень малых
дозах, примерно 175 мкг/мл ИУК, часто наблюдается
стимулирование роста без подавления. Браун [4]
установила, что различные бактерии ризосферы образуют
от 0,02 до 0,3 мкг/мл ИУК в культурах без L-трипто-
фана в субстрате и от 1,0 до 10,0 мкг/мл в присутствии
L-триптофана. Либберт и Мантойффель [21] наблюдали
значительное удлинение и увеличение сухого веса
кукурузы, росшей в нестерильном питательном растворе:
бактерии образовывали ИУК, и она поглощалась
растениями.
Молодые корни пшеницы также поддерживают
популяцию бактерий, подавляющих рост растений гороха и
салата-латук в биоиспытаниях, но эта популяция
уменьшается по мере старения растений и заменяется
другой, образующей вещества, ускоряющие рост, типа гиб-
48
береллина; эти бактерии особенно многочисленны в
периоды кущения и колошения пшеницы, когда быстро
усиливается рост [4]. Количество гиббереллиноподобно-
го вещества, образуемого различными бактериальными
культурами, колебалось от 0,001 до 0,5 мкг-эквивалента
гиббереллина А3 на 1 мл. Таким образом, корни в
почве подвергаются воздействию бактериальной популяции,
способной вырабатывать и стимуляторы и ингибиторы.
Микрофлору ризосферы молодых растений можно
изменять, интродудируя больщое число
микроорганизмов путем ыюкуляции семян или окуная корни
проростков в суспензию микроорганизмов перед переносом их
для окончательного выращивания. Интродуцируемые
организмы обычно распространяются от семян на
молодые корни, но часто через несколько недель их нельзя
выделить с более старых корней: инокулюм не может
успешно конкурировать с естественной флорой
ризосферы. Иногда инокулюм размножается на молодых
корнях, и тогда численность этих бактерий остается
постоянной до момента уборки растений.
Когда в качестве инокулята использовали
определенные бактерии, удавалось повысить урожаи культур,
в частности овощных, таких, как капуста и салат,
убираемых при полном развитии листьев, или моркови, у
которой убирается урожай запасающих органов.
Зерновые иногда отзывались на такую обработку инокулятом,
но прибавки урожая составляли обычно менее 10% [6].
Практика такого рода бактериальной инокуляции
была начата в Советском Союзе в 1927 г., когда
недоставало минеральных удобрений, и к 1958 г.
обрабатывалось около 10 млн га посевов. В качестве инокулята
был выбран Azotobacter chroococcum, потому что он
фиксировал атмосферный азот, и считалось, что азот
будет поступать в почву; позднее использовали также
один из штаммов Bacillus megaterium, потому что он
активно минерализовал органические соединения
фосфора в культуральной среде. Рост культур улучшался,
но безусловно не вследствие фиксации азота и,
вероятно, не вследствие минерализации фосфора. Другие
бактерии, главным образом виды Pseudomonas, Clostridium
и Bacillus (иные, чем В. megaterium), также
использовались в качестве инокулятов, но в меньших масштабах.
Все бактерии совершенно одинаково воздействовали на
рост культур, часто увеличивая огорость прорастания,
4 Почвенная микробиология
49
Рис 2 Рост растений томата после обработки корней рассады
культурой азотобактера:
Ар — обработанные растения, К — контроль
удлиняя стебель, увеличивая размеры листьев и
приводя к более раннему цветению и плодоношению,—что
свидетельствовало об общей причине этих явлений,
связанной не с минерализацией, а с ростовыми веществами
(см. рис. 2). Бактериальные инокуляты были более
эффективны, если использовались в сочетании с
минеральными и органическими удобрениями и лучше всего
действовали в почвах, где хорошо росли культуры растений
и микроорганизмы. Отзывчивость растений при этих
условиях служит хорошим указанием на то, что
минерализация фосфора и его усиленное* поглощение не были
причиной увеличения размеров растений, так как
количество фосфора, освобождаемого в результате
бактериальной деятельности, было бы ничтожным в
присутствии доступного растениям минерального удобрения.
Проверка различными авторами способности
бактерий, используемых в качестве инокулятов, образовывать
регуляторы роста, показала, что они все образуют
следовые количества ИУК и гиббереллиноподобных
веществ, достаточные, чтобы вызвать изменения в
морфологии растений, поскольку только следовые количества,
если они внесены на должной стадии развития растений,
могут полностью изменить рост. Браун, Джексон и Бер-
лингем [8] установили, что однократное внесение
0,05 мкг гиббереллина Аз в период высадки рассады в
зону роста корней проростков томатов с расходящими-
50
ся семядолями (время дифференциации зародыша)
значительно изменяло рост растений вплоть до развития
перво": цветочной кисти. Эффективная доза могла бы
быть меньше 0,05 мкг гиббереллина А3, потому что
часть ее могла быть адсорбирована на почвенных
частицах, а часть метаболизирована раньше, чем
произошло полное поглощение корнями.
Azotobacter chroococcum образует в среднем 0,05 мкг-
эквивалента гиббереллина А3 на 1 мл культуры за
14 дней, и, если, корни проростков томатов обработать
такой культурой, их рост резко изменяется аналогично
обработке настоящим гиббереллином А3 [7]. Бактери-
Рис. 3. Развитие колоний Azotobacter на корнях проростка
пшеницы, зерно которой обработано культурой Azotobacter перед
высевом в почву. Корни были осторожно извлечены из почвы и
перенесены на чашку с агаром, лишенным азота.
4*
51
альные инокуляты, когда ими обрабатывают растения,
вероятно, содержат достаточно ростовых веществ,
чтобы повлиять на дальнейшее развитие растений, но,
поскольку они также размножаются вокруг корней
сеянцев (см. рис. 3), возможно, что больше гормона
образуется и поглощается растениями в критическую стадию
дифференциации.
На амплитуду отзывчивости растений несомненно
влияет количество вырабатываемого гормона,- которое
колеблется как внутри вида, так и у разных видов, что
зависит от разных причин, таких, как вид растения,
плодородие почвы и содержание в ней воды, длина дня,
интенсивность освещения, продолжительность
вегетационного периода и температура; изменения любого
из этих условий могут объяснить, почему
отзывчивость растений на инокуляцию непредсказуема и
ненадежна.
Недавно было показано, что вытяжки из ряда
бактерий, включая Azotobacter chroococcum [10] и Rhizo-
bium japonicum [28], обладают активностью типа цито-
кинина. Этот ростовой фактор или родственные ему
вещества связаны с появлением признаков болезней,
вызываемых Agrobacterium iumefaciens [29] и Согупе-
bacterium fascians [20] и с усилением развития
корневых волосков у сеянцев сурепицы при инокуляции ризо-
сферной культурой Arihrobacter [2]. Цитокинины
связаны со всеми фазами развития растений, начиная с
деления и увеличения клеток до формирования цветков
и плодов. Они действуют на метаболизм и биосинтез
ростовых факторов, влияют на появление органелл и
перемещение ассимилятов и питательных веществ по
растению, а также усиливают сопротивление старению
и неблагоприятным внешним условиям. Совершенно
ясно, что, если микрофлора ризосферы или инокуляты
образуют эти вещества и корни поглощают их, это будет
влиять на рост растений.
Было высказано также предположение, что
бактериальные инокуляты действуют как ингибиторы болезней
растений и один антибиотик, выделенный из культур,
Azotobacter chroococcum, как оказалось, подавляя виды
Candida albicans, Alternaria и Monilia [26]. Подавление
болезней, в частности болезней, поражающих проростки,
может улучшить посевы культур, в особенности
произведенные низкокачественными семенами, проростки из ко-
52
торых менее жизнеспособны ^и более восприимчивы к
заражению.
Хотя инокуляция бактериями специально для борьбы
С болезнями оказалась не очень успешной в природной
почве, манипулирование с ризосферной микрофлорой
в более специализированной среде, подавляло
некоторые болезни. Инокуляты, лизирующие патогенный
организм, противодействующие ему или конкурирующие с
ним, могут достаточно подавлять его, чтобы значительно
снизить скорость заражения. Инокуляция Bacillus sub-
tills успешно подавляла болезни проростков в почвах,
частично стерилизованных аэрируемым паром, и болезни
черенков гвоздики, выращиваемых в субстратах для
размножения [6]. В некоторых отчетах об успешной
борьбе с болезнями растений также отмечались
признаки влияния ростовых веществ; улучшались скорость
прорастания и рост корней и стимулировалось
образование листьев и цветков [6]. Это позволяет думать,
что подобные вещества возможно участвуют в
подавлении болезни при одновременном прямом воздействии
инокулята на патогенный организм. Обработка ИУК и
гиббереллином А3 изменяла проявления болезни у
томатов, зараженных Fusarium oxysporum var. lycopersici,
либо подавляя рост паразита и образование им
токсинов, либо изменяя реакцию хозяина [11, 40]. Будущие
исследования в области биологической борьбы с
болезнями могут с пользой изучить возможности
использования инокулюма из смешанных культур организмов,
различным образом действующих на болезнь, например
подавляющих ее, конкурирующих за питательные
вещества, поставляющих ростовые вещества; используя эти
возможности наряду с методами изменения
ризосферной среды, мы можем найти пути регулирования
болезней, которые до настоящего времени не поддавались
воздействию других механизмов подавления.
Растения, какими мы их видим растущими в почве,
являются продуктом внешней среды; микроорганизмы
корневой зоны представляют часть этой среды и своей
деятельностью хорошо ли или плохо, но воздействуют
на этот продукт. По мере того как мы больше узнаем
о поведении этих микроорганизмов, мы, возможно, будем
способны преобразовать популяцию в преимущестенно
благоприятную. Возможно, этого будет нелегко
добиться, так как мы пытаемся изменить популяцию, в кото-
53
рой каждый член имеет собственную нншу; наше
вмешательство может стимулировать активность одной или
многих групп организмов и вызвать серию изменений в
почве, результаты которых трудно предсказать. Целью
почвенных микробиологов должно быть достижение
благоприятных изменений без сопутствующих бедствий,
которые, как мы уже узнали, могут легко возникать,
когда нарушается равновесие в природе.
ЛИТЕРАТУРА
1 Barber D. A. Micro-organisms and the inorganic nutrition of
higher plants. Annual Review of Plant Physiology, 19, 71—88
(1968).
2. Blondeau R Production d'unte substance de type cytokinine
par des Arthrobacter d'origine rhizosphere. Compte rendu (hebdo-
madaire) des seances de VAcademie des Sciences, 270 D,
3158-3161 (1970).
3 Bowen C. D, Rovira A. D. Are modelling approaches
useful in rhizosphere biology?, in Modern Methods in the Study
of Microbial Ecology (ed. by T. Rosswell). 443—450. Swedish
National Science Research Council, Stockholm (1973).
4. В г о w n M. E. Plant growth substances produced by
microorganisms of soil rhizosphere /. Applied Bacteriology, 35,
443—451 (1972).
5. В г о w n M E. Soil bactedostasis. Limitation in growth of soil
and rhizosphere bacteria, Canadian /. Microbiology, 19, 195—199
(1973).
6. Brown M. E. Seed and root bacterization, Annual Review of
Phytopathology, 12, 311—331 (1974).
7. Brown M. E Burlingham S. К Production of plant growth
substances by Azotobacter chroococcum, J. General Microbiology,
53, 135—144 (1968)
8. Brown M. E., Jackson R. M, Burlingham S. K. Effects
produced on tomato plants, Ly coper sicum esculentum, by seed or
root treatment with gibberellic acid and indol-3-yl-acetic acid,
/. Experimental Botany, 19, 544—552 (1968).
9. Cook F. D, Lochhead A. G. Growth factor relationships of
soil micro-organisms as affected by proximity to the plant root,
Canadian /. Microbiology, 5, 323—334 (1959).
10 Coppola S, Percuoco G, Zoina A., Picci G. Citochi-
nine in germi terricoli e relativo significato nei rapporti piante-
mksroorganismi, Annah di Microbiologia ed Enzimologia, 21,
45—53 (1971)
11. Davis D, Dimond A. E. Inducing disease resistance with
plant growth regulators, Phytopathology, 43, 137—140 (1953).
12 Eaton F. M., Rigler N. E. Influence of carbohydrate levels
and root surface microfloras on Phymatotrichum root rot in
cotton and maize plants, /. Agricultural Research, 72, 137—161
(1946).
13. Foster R C, Rovira A D. The rhizosphere of wheat roots
studies by electron microscopy of ultra thin sections, in Modern
54
Methods in the Study 01 Microbial Ecology (ed. by f. Rossweli),
93—95. Swedish National Science Research Council, Stockholm
(1973).
14. Gerretsen F. C. The influence of micro-organisms on the
phosphate intake by the plant, Plant and Soil, 1, 51—81 (1948).
15. Goring С A. I., Clark F. E. Influence of crop growth on
mineralization of nitrogen in the soil, Proc. SSSA, 13, 261—266
(1948).
16. Greaves M. P., Derbyshire J. F. The mucilaginous layer
on plant roots, Soil Biology and Biochemistry, 4, 443—449
(1972).
17. Greaves M. P., Webley D. M. The hydrolysis of
myoinositol hexaphosphate by soil micro-organisms, Soil Biology and
Biochemistry, 1, 37—43 (1969).
18. Greenwood D. J. Distribution of carbon dioxide in the aqueous
phase of aerobic soils, /. Soil Science, 21, 314—329 (1970).
19. Hussain S. W., Me Keen W. E. Interactions between
strawberry roots and Rhizoctonia fragariae, Phytopathology, 53, 541—545
(1963).
20. К1 a m b t D., T h i e s G., SkoogF. Isolation of cytokinins from
Corynebacterium fascians, Proceedings of the National Academy
of Sciences, 56, 52—59 (1966).
21. Libbert E., Manteuffel R. Interactions between plants
and epiphytic bacteria regarding their auxin metabolism. VII. The
influence of the epiphytic bacteria on the amount of diffusable
auxin from corn coleoptiles, Physiologia Plantarum, 23, 93—98
(1970).
22. L о u t i t M. W., Brooks R. R. Rhizosphere organisms and
molybdenum concentrations in plants, Soil Biology and
Biochemistry, 2, 131—135 (1970).
23. Lou tit M. W., Lout it J. S., Brooks R. R. Differences in
molybdenum uptake by micro-organisms from the rhizosphere of
Raphanus sativus L. grown in two soils of similar origin, Plant
and Soil, 27, 335—345 (1967).
24. L о u t i t M. W., M a 11 h u s R. S., L о u t i t J. S. The effect of
soil micro-organisms on the concentration of molybdenum in the
radish (Raphanus sativus L.) variety "White Icicle", New
Zealand I. Agricultural Research, 11, 420—434 (1967).
25. M a r t i n J. K. The influence of rhizosphere microflora on the
availability of 32P-m#o-inositol hexaphosphate phosphorus to wheat,
Soil Biology and Biochemistry, 5, 473—483, (1973).
26. Миш устий E. H. Action d'Azotobacter sur les vegetaux supe-
rieurs, Annales de I'lnstitut Pasteur, III, suppl. 3, 121—135
(1966).
27. Parkinson D. Soil micro-organisms and plant roots, in Soil
Biology (ed. by A. Burges, F. Raw), 449—478* Academic Press,
London (1967).
28. Phillips D. A., T о г г е у J. G. Cytokinin production by Rhizo*
bium japonicum, Physiologia Plantarum, 23, 1057—1063 (1970).
29. Romanowl., Chalvignac M. A„ Pochon J. Recherches
sur la production d'une substance cytokinique par Agrobacterium
tumefaciens (Smith et Town) Conn, Annales de Llnstitut Pasteur,
117, 58—63 (1969).
36. Rovira A. D. Plant root exudates, Botanical Reviews, 35,
35—57 (1969).
55
31. R о v i r a A. D., M с D о u g a 11 В. М. Microbiological and
biochemical aspects of the rhizosphere, in Soil Biochemistry (ed. by
A. D. McLaren, G. H. Peterson), 417—463. Edward Arnold,
London (1967).
32. S с о 11 Т. К. Auxins and roots, Annual Review of Physiology,
23, 235—258 (1972).
33. S t а г к е у R. L. Some influences of the development of higher
plants upon the microorganisms in the soil. III. Influence of the
stage plant growth upon some activities of the organisms, Soil
Science, 27, 433—444 (1929).
34. Subba Rao N. S., В id we 11 R. G. S., В a i 1 ey D. L. The
effect of rhizosphere fungi on the uptake and metabolism of
nutrients by tomato plants, Canadian J. Botany, 39, 1759—1764
(1961).
35. Subba Rao N. S., Bidwell R. G. S., Bailey D. L.
Studies of rhizosphere activity by the use of isotopically labelled
carbon, Canadian Journal of Botany, 40, 203^-212 (1962).
36. Swaby R. L. Stimulation of plant growth by organic mattei,
/. Australian Institute of Agricultural Science, 8, 156—163
(1942).
37. T h i m a n n К. К. The natural plant hormones, in Plant
Physiology VIB. Physiology of Development. The Hormones (ed. by
F. C. Steward), 3—145. Academic Press, London (1972).
38. Trolldenier G.:, Marckwordt U. Untersuchungen uber den
Einfluss der Bodenmikroorganismen auf die Rubidium- und Cal-
ciumaufnahme in Nahrlosung wachsender Pflanzen, Archiv fur
Mikrobiologie, 43, 148—151 (1962).
39. V a n с u r a V., Hanzlikova A. Root exudates of plants.
IV. Differences in chemical composition of seed and seedling
exudates, Plant and Soil, 36, 271—282 (1972).
40. V о 1 к e n P. Quelques aspects des relations hote-parasite en
fonction de traitements a l'acide indol-acetique et a l'acide
gibberellique, Phytopathologische Zeitschrift, 75, 163—174
(1972).
41. Zagallo A. C, Ka tznel son H. Metabolic activity of
bacterial isolates from wheat rhizosphere and control soil, /.
Bacteriology,!^ 760—764 (1957).
42. Baker >R. Mechanisms of biological control of soil-borne,
pathogens, Annual Review of Phytopathology, 6, 263—294 (1968).
43. В а к e r K. F., Snyde; W. С (editors). Ecology of Soil-borne
plant pathogens. University of California Press, Berkeley,
California (1965).
44. С о о p e r R. Bacterial fertilizers in the Soviet Union, Soils and
Fertilizers, 22, 327—333 (1959).
45. Clark F.E. Soil micro-organisms and plant roots, Advances in
Agronomy, 1, 241—288 (1949).
46. G r u e n H. E. Auxins and fungi, Annual Review of Plant
Physiology, 10, 405—440 (1959).
47. Katznel son H., L о с hhe a d • A. G., T i m о n i n M. I. Soil
micro-organisms and the rhizosphere, Botanical Reviews, 14,
543—587 (1948). ..... . . . * ■- . ;
48. Lochhead A. G. Soil microbiology, Annual Review of Micro-
biology, 6, 185—206 (1952).
49. Lock wood J. L. Soil fungistasis, Annual Review of
Phytopathology, 2, 341—362 (1964).
56
50. М а с и г a J., V a ncu r a V. (editors). Plant Microbes
Relationships. Czechoslovak Academy of Sciences, Prague (1965).
51.; Ми ш уст и н Е. Н., Шильникова В. К. Biological
Fixation of Atmospheric Nitrogen. Macmillan, London (1971).
52. Parkinson D., W a i d J. S. (editors). The Ecology of Soil
*:ungi. Liverpool University Press, Liverpool (1960).
53. P a r k i n s о n D., Gray T. R. G. (eds ) The Ecology of Soil
Bacteria. Liverpool University Press, Liverpool (1967).
54. Rovira A. D. Interactions between plant roots and soil
microorganisms, Annual Review of Microbiology, 19, 241—266 (1965).
55. Schroth M. N., Hildebrand D. C. Influence of plant
exudates on root infecting fungi, Annual Review of
Phytopathology 2, 101—132 (1964).
56. Starkey R. L. Inter-relations between micro-organisms and
plant roots in the rhizosphere, Bacteriological Reviews, 32,
154—172 (1958).
5.7. Watson A. G., Ford E. J. Soil fungistasis — a reappraisal,
Annual Review of Phytopathology, 10, 327—348 (1972).
3
АСПЕКТЫ АНАТОМИИ КОРНЯ, ВАЖНЫЕ
ДЛЯ МИКРОБИОЛОГА
Б. МОССЕ (В. MOSSE)
Почвенные микроорганизмы выполняют ряд
функций, важных для роста растений. В результате своего
участия в круговороте азота и разложении
органического вещества и минералов они освобождают
питательные вещества растений. Азотфиксирующие организмы
могут увеличить содержание азота в почве, а
микоризные грибы эффективно увеличивают поглощающую
поверхность корней [56]. Некоторые микроорганизмы
оказывают также прямое морфогенное влияние на растения
[14, 19]. Масштабы деятельности микроорганизмов в
большой степени зависят от растительных экссудатов и
остатков, но важное значение может иметь и
физическое окружение корня. В этой главе обсуждаются
некоторые аспекты формы и функции корня и их
взаимосвязь с микробными и почвенными факторами.
3.1. АНАТОМИЯ КОРНЕЙ В ПОЧВЕ
ОНТОГЕНЕЗ И СТРУКТУРА
Корни состоят из апикальной меристемы,
откладывающей клетки в двух направлениях: клетки корневого
чехлика в сторону кончика корня и в противоположном
направлении, клетки, которые составляют основную
массу корня. Эти клетки возникают в особых зонах
меристемы (гистогенная теория), определяющих их
последующее развитие в центральный цилиндр
(сосудистые ткани и сердцевина), кору или эпидермис. Клетки
корневого чехлика непрерывно отслаиваются и
заменяются новыми из меристемы. Происхождение клеток
корневого чехлика и эпидермиса неодинаково у разных
видов растений [34], и это может отражаться на природе
58
и протяженности слизистого слоя. Два различных типа
развития показаны на рисунке 4. У табака эпидермис,
развивающийся из протодермы, происходит из клеток,
онтогенетически родственных корневому чехлику.
Эпидермис кукурузы не имеет особого происхождения, а
дифференцируется как наружный слой коры. Как
показано на рисунке, эпидермис кукурузы покрыт
слизистым слоем с места его возникновения. У однодольных
описано четыре различных типа развития: у двух клетки
корневого чехлика возникают из независимой
меристемы, названной калиптрогеном. Дальнейшее усложнение
внесла демонстрация Клоузом [21] наличия «центра
покоя» в апикальной меристеме многих корней. Этот
центр содержит клетки, которые делятся редко и лишь
медленно синтезируют ДНК, и поэтому он отделяет
меристему главного корня от меристемы корневого чех-
лика. Таким образом, клетки центральной (стержневой)
и наружной части корневого чехлика образуются
разными меристемами, что делает корневой чехлик
гетерогенным по происхождению.
Рис. 4. Схема продольного разреза через кончик корня Nicotiana
tabacum (А) и Zea mays (Б) [34]:
/ — центральный цилиндр; 2 — перицнкл; 3 — кора; 4 — протодсрма; 5 —
межклеточное пространство; 6«- корневой чехлик.
59
За апикальной меристемой находится область
удлиняющихся клеток, из которых дифференцируются
центральный цилиндр и кора. Первый включает сосудистые
элементы, перицикл и эндодерму. Эндодерма
представляет собой плотный слой клеток, каждая с опробковев-
шей и, возможно, одревесневшей полоской (Каспарова
полоса) вдоль радиальной и поперечной стенок. Это
замедляет движение ионов сквозь стенки (свободное
пространство) и обеспечивает мембранное регулирование
перемещения питательных веществ из сосудистых
тканей и в них. Клетки коры обычно крупные и округлые
в поперечном сечении с широкими межклеточными
пространствами между ними. Согласно Скотту [66],
стенки клеток коры выстланы липидным веществом там,
где они граничат с межклеточным пространством. У
злаковых и некоторых других видов эти пространства
могут быть крупными (рис. 4,6), и некоторые из них
возникли вследствие разрыхления (лизогении) клеток.
Этим может объясняться заселение бактериями части
явно мертвых клеток коры в некоторых корнях [28].
В противоположность этому клетки центрального
цилиндра тесно прилегают друг к другу с очень
немногими межклеточными пространствами.
Эндодерма может служить некоторой защитой
против внедрения патогенных организмов [71], и ни экто-
трофные, ни везикулярно-арбускулярные (ВА) эндофи-
ты никогда не проникают сквозь нее. Причина этого
неизвестна. Гарретт [40] считает, что корни
проростков или молодые корни на более старых частях
корневой системы особенно восприимчивы к заселению
неспециализированными грибами, потому что ювенильные
ткани еще не выработали устойчивости к болезни.>
Природа этой устойчивости здесь не обсуждается. У
некоторых растений в клетках коры образуются кристаллы
оксалата кальция; такие клетки невосприимчивы к
заражению ВА-эндофитами. Большие дозы фосфорных
удобрений делают большинство клеток коры на корнях
лука иммунными к такому заражению. Лишь некоторые
субэпидермальные клетки, более интенсивно
окрашиваемые синим для хлопка, остаются пригодными для
внутриклеточного роста эндофита [57].
Продолжительность существования первичной коры
неодинакова у разных видов. Корни большинства
однодольных и некоторых травянистых двудольных пол-
60
костью первичны У других первичная кора
сохраняется, хотя камбий дифференцируется и происходит
какой-то вторичный рост. Там, где первичная кора
сохраняется длительное время может происходить некоторое
опробковение и (или) одревеснение в эпидермальном и
субэпидермальном слоях или в специализированных
клетках. Корни древесных двудольных характерным
образом сбрасывают первичную кору, когда происходит
их вторичное утолщение. В перицикле возникает
пробковый камбий, первичная кора отслаивается, и тогда
наружный слой состоит из пробковых клеток. У таких
растений ежегодно обновляющаяся мочковатая
корневая система ясно отличима от постоянных скелетных
корней Заселение первичной коры обычно усиливается
с возрастом корней [16, 64], но опробковение и
особенно образование организованного коркового слоя
сильно затрудняют корневые выделения и заселение
микроорганизмами. Эктотрофные микоризные грибы
увеличивают срок жизни зараженных ими корней и
замедляют их опробковение [42]. В корнях, где сохраняется
первичная кора, главные и боковые корни можно все же
часто отличить по толщине и числу слоев клеток коры.
У везикулярно-арбускулярных эндофитов также
наблюдается некоторая избирательность в том, что они чаще
заражают более мелкие боковые корни и шире
распространяются в них, чем в главных корнях (см. табл. 1).
Таблица 1. Заражение ВА-микоризой главных и боковых корней
трех видов растений
Вид растений
Lonicera penclymenum
Fiagaria vesca
Mercurialis perennis
Главные корни
частота
33
52
30
интенсивность
7
8
11
Боковые корни
частота
42
80
39
интенсивность
76
43
26
Частота заражения = процент зараженных корней,
интенсивность = доля (%) заселенной коры
КОРНЕВЫЕ ВОЛОСКИ
Поглощение питательных веществ одна нз
важнейших функций корневой системы и корневых волосков;
в силу своего положения на поверхности-корней и боль-
61
шого отношения у них площади поверхности к объему
они хорошо приспособлены к выполнению этой
функции. Корневые волоски действуют всего несколько
недель или даже дней, после чего они спадают и быстро
заселяются микроорганизмами. Иногда корневые
волоски опробковевают или одревесневают, но пока они
молоды, они имеют тонкие стенки и в них заметно
движение протоплазмы. Их поверхность часто бывает липкой,
и бактерии приклеиваются к ней. Большинство
заражений Rhizobium начинается в корневых волосках.
Корневой волосок развивается как вырост из
клетки эпидермиса, который может быть
специализированной, более короткой и менее вакуолизированной
клеткой (трихобластом) с большой фосфатазной и цитохром-
ной активностью [5]. Волосок вырастает из зоны в
немногих микрометрах позади кончика корневого волоска.
Целлюлозные фибриллы произвольно располагаются у
кончика, но принимают продольную ориентацию по
мере удлинения волоска. Последующее утолщение
стенок вблизи основания корневого волоска происходит за
счет поперечно или спирально ориентированных
волокон [22, 61]. Керриер {27] обнаружил утолщения на
кончиках корневых волосков ячменя с помощью
флуоресцентной микроскопии. Корневые волоски часто
покрыты слизистым слоем, содержащим пектин [23,
24, 34, 66].
Кормакк [23, 24] и другие исследователи установили
заметное морфогенетическое влияние Са и хелатообра-
зующих агентов на развитие корневых волосков.
Кормакк пришел к выводу, что стенка корневого волоска
состоит из двух слоев, причем более жесткий наружный
слой состоит главным образом из пектата кальция.
Скотт и ее сотрудники [66, 67] сочли структуру более
сложной, сходной со структурой поверхности листа. Они
изучали корни лука (не имеющие корневых волосков),
а также и других растений с корневыми волосками,
включая вику, клещевину и пшеницу, и пришли к
выводу, что корневые волоски и наружные стенки клеток
эпидермиса имеют тонкий, напоминающий кутикулу
слой, содержащий липиды и прикрывающий клеточную
стенку, в состав которой входят целлюлоза, другие
полисахариды и пектиновые вещества. Стенки клетки
имеют углубления с выстилкой, похожей на плазмодес-
му, кончающейся в кутикуле» Эти углубления были на-
62
Рис. 5. Корень Stylosanthes guyanqnsis с корневыми волосками
в пазухах боковых корней.
званы «эктодесмата», и, видимо, растворы в листья
поступают через них. В эпидермисе листа примулы было
обнаружено до 1000—1500 таких углублений на
50 мкм2 [50]. Сейчас сомнительно, проходит ли в эти
каналы какая-то часть протопласта [38]. Об их
существовании на корнях сообщали только Скотт и ее
сотрудники. Те, что изображены на корневых волосках
пшеницы [67], имеют диаметр менее 0,1 мкм; такие
углубления слишком узки для проникновения бактерий,
но представляют интерес как возможные каналы
экссудации и требуют дальнейшего изучения.
Реалистичная оценка количеств жизнеспособных и
стареющих корневых волосков редко возможна в почве,
хотя она безусловно желательна. Наши представления
часто основаны на растениях, выращенных в агаре,
песчаной или водной культуре или на картине корня,
появляющегося из прорастающего семени на влажной
фильтровальной бумаге. Видовая принадлежность
растения— это, вероятно, самый важный отдельный
фактор, регулирующий развитие корневых волосков. При
изучении растений 37 видов из 20 семейств были
получены данные о диаметре корневых волосков, равном
5—17 мкм, и об их длине, равной 80—1500 мкм [34].
Большинство злаков имеет много длинных корневых во-
63
лосков, тогда как у
древесных двудольных,
таких, как яблоня или
лимон, волоски короткие,
тупые. У двух
тропических бобовых Stylosan-
ihes guyanensis (рис. 5)
и Arachis hypogaea [1]
Рис. б. Рост корневых волосков: корневые волоски образу-
а —в воде или влажном воздухе; ЮТСЯ ТОЛЬКО В Пазухах
б —во влажной почве; в и г — в су- ^rnnTiv 1/лпттл п.тт/п мл
хой почве. соковых корней. Луки не
имеют корневых
волосков. Бейлис [9]
высказывал предположение, что микотрофный образ
питания мог развиться в качестве замены корневым
волоскам.
Факторы внешней среды и питания отражаются на
росте корней, а некоторые из них специфически
отражаются на развитии корневых волосков. На рисунке 6
приведено опубликованное в 1883 г.. стилизованное
изображение корневых волосков в воде, во влажном
воздухе и в почве с убывающим содержанием воды. В
стерильной культуре корневые волоски были более
многочисленными, длиннее и развивались ближе к концу
корня, чем в варианте с внесением почвенных
микроорганизмов [14]. Корни, выросшие в стерильной почве в
открытых сосудах, как правило, были тоньше и более
прозрачными, менее разветвленными и имели больше
корневых волосков, чем корни в почве, вновь
зараженной почвенными микроорганизмами. Аэрация также
может отражаться на развитии корневых волосков [70],
и у луков появляются корневые волоски при
выращивании на фильтровальной бумаге, увлажненной
питательным раствором [62]. В тканевых культурах корней
клевера области с немногими и с многочисленными
корневыми волосками часто перемежаются. Корни, выросшие
в почве и наблюдаемые сквозь стекло, обычно имеют
много корневых волосков в трещинах почвы и гораздо
меньше волосков при контакте с самой почвой.
Старение корневых волосков часто начинается в нескольких
сантиметрах позади кончика корня, но живые,
содержащие ядра волоски могут встречаться на корнях
длиной до 15 см [66].
64
КОРНЕВОЙ ЧЕХЛИК И POQT КОРНЕЙ В ПОЧВЕ
Считается, что корневой чехлик защищает точку
роста, когда она внедряется в почву. Отслаивающиеся
клетки служат смазкой при ее проникновении и
одновременно субстратом для микроорганизмов.
Тем не менее трудно представить себе этот процесс,
определить степень повреждения и сколько именно
клеточного материала отслоилось. Наблюдая корни на
влажной фильтровальной бумаге, Ровира [63] полагал,
что кончик корня, растущий сквозь почву, смазывает
почвенные частицы недиффундирующими веществами
(клетки и полисахариды), тогда как из корня позади
кончика выделяются небольшие количества
диффундирующего материала. Выделение сильно зависит от
размеров повреждения. Контакт с песком вместо
питательного раствора увеличивает его в 7 раз [17], и даже
осторожное обращение [6] или контакт со стеклянными
бусами [8] увеличивает его. Боковые корни,
возникающие из перицикла и проделывающие себе дорогу
сквозь кору, также производят некоторое перемещение и
повреждение клеток, вызывающие усиление корневых
выделений, которое может привлекать микроорганизмы.
Например, появляющиеся боковые корни — это место
для прикрепления спор Phytophthora parasitica; Thiela-
viopsis basicola и Fusarium solani часто проникают в
корни растений табака или фасоли в точках появления
боковых корней [75]. У пшеницы 1,2% углерода,
достигающего корней, выделяется в почву: 0,2—0,4% в
форме водорастворимого экссудата, 0,8—1,6% в форме
нерастворимой слизи и отслоившихся клеток корневого
чехлика [15]. У растений, где вся первичная кора
отслаивается, это вполне может быть наибольшим
источником микробного субстрата. Часть углерода может
также освобождаться из оборванных корневых
волосков.
У кукурузы в отличие от других видов корневой
чехлик можно отделить как связную структуру [22].
Клетки корневого чехлика клевера, выращиваемого на
агаровом субстрате или в предметных стеклах Фареуса,
кажутся в значительной мере одиночными (рис. 7), но
при выращивании клевера в водной культуре можно
обнаружить целые чехлики, плавающие в субстрате. Эзо
[34] также отмечала это влияние жидких культур. Сте-
5 Почвенная микробиология
65
■■■. , . Ю$&&Иг
Рис. 7. Кончик корня клевера, выращенного на агаре. Обратите
внимание на отделившиеся клетки корневого чехлика.
пень сцепления между клетками корневого чехлика,
которая может отражаться на их способности защищать
кончик корня, может, таким образом, отчасти зависеть
от внешней среды.
У клевера отслаивающиеся клетки могут быть двух
типов: мелкие почти шаровидные клетки, образующиеся
вблизи кончика корневого чехлика, и длинные, часто
изогнутые, узкие клетки, обычно находящиеся там, где
корневой чехлик соединяется с эпидермисом. В
культурах корневых органов отслоившиеся клетки встречаются
небольшими группами, произвольно распределенными
вдоль корня (рис. 8). Что вызывает их периодическое
освобождение, пока неизвестно. Главные корни теряют
больше клеток, чем более тонкие и короткие боковые
корни. После отделения клетки корневого чехлика
остаются окруженными непрерывным слоем стенок. У них
имеются истинные плазмодесмы [22], которые могут
служить каналами связи с внешней средой, когда клетки
отслаиваются. Если отслаивание клеток корня в почве
сходно с их отслаиванием в агаровом субстрате, то
можно представить себе такие клетки прикрепленными
небольшими группами к почвенным частицам или к
поверхности корня и служащими небольшими очаговыми
скоплениями субстрата.
66
Штм
Рис. 8. Корень клевера, росшего на агаре. Показаны распределение
и форма отслоившихся клеток.
5*
3.2. ПОВЕРХНОСТЬ КОРНЯ
Исследования электронным микроскопом расширили
знания о поверхности корня в двух отношениях: они
позволили получить более детальную картину поверхности
корня при увеличении, соизмеримом с размерами
микроорганизмов, и обеспечили информацию о слизистом
слое, часто покрывающем поверхность корня.
ФОРМА ПОВЕРХНОСТИ КОРНЯ
Редко можно видеть картину, подобную показанной
на рисунке 9, но она более точно изображает корень
овса в его почвенной среде, чем обычные иллюстрации
в учебниках. Даже на более нормально выглядящем
поперечном срезе молодого корня земляники (рис. 10)
при внимательном рассмотрении можно видеть разрывы
и неровности поверхности корня с некоторыми
поврежденными и сплющенными клетками эпидермиса.
Картина поверхности корней клевера, выращенных на агаре,.
в электронном микроскопе (рис. 11) часто так искажена,.
Рис. 9. Поперечный разрез старого корня овса, выращенного
в поле.
68
Рис. Ю. Поперечный разрез корня земляники с деталями строения
поверхности корня.
Рис. 11. Электронная микрофотография поверхности корня клевера,
выращенного на агаре. Стрелки показывают наружную поверхность.
ШШШм
Рис. 12. Корень клевера, выращенного на агаре, окрашенный толу-
идиновой синей для демонстрации слизегеля.
что трудно решить, что находится снаружи и что
внутри корня. Четырехмесячные зародышевые корни
пшеницы [37] и выращенные в аксенной культуре
корни гороха [41] имеют одинаково скрученную структуру.
Глубокие трещины заметны также между клетками
эпидермиса корней ячменя, выращенных в пермути-
те [43].
Гриве и Дарбишир [41] дали объяснение
повреждениям в клетках эпидермиса и наружной поверхности
корня в зоне роста корневых волосков и в более старых
частях корня. Клетки эпидермиса песколюбки Ammophi-
la arenaria, растения дюн, были сломаны в 4—5 мм и
сплющены в 40—45 мм от кончика корня. Марчант
[54] приписывал это механическому повреждению
песчинками, а также действию микроорганизмов.
Обширное искривление поверхности корня, трещины и глубокие
выемки, открывающиеся в почву, обеспечивают
защищенные ниши для микроорганизмов, и этим, возможно,
объясняется трудность стерилизации корней путем
отмывания.
Поверхность корней имеет также и продольные
складки, соответствующие очертаниям подстилающих
клеток. Иногда они ясно видны на фотографиях,
полученных в сканирующем электронном микроскопе
[20, 30, 54]. Бактерии и грибы часто распространяются
вдоль таких борозд. То же происходит и на листьях, где
это приписывают усиленному выделению экссудата в
местах соединения клеток, однако в корнях эти места
могут, кроме того, обеспечивать защиту против иссушения
и абразии (царапин).
СЛИЗИСТЫЙ СЛОЙ
Кловс и Джюнипер [22] определяют слизь как
углеводное вещество в растениях, твердеющее при
высыхании, набухающее и скользкое при увлажнении. Фрей-
Висслинг и Мюлеталер [39] различают два вида слизи:
целлюлозная, двоякопреломляющая слизь реагирует с
цинк-хлор-иодом и содержит микрофибриллы,
различимые в электронном микроскопе; в то время как
пектиновая слизь аморфна, окрашивается рутениевым красным
и метиленовой синей и не имеет структуры.
Слизь в растениях имеет двоякое происхождение.
Она может выделяться живыми клетками или может
70
возникать в результате преобразования оболочек
специализированных клеток. Например, стенки эпидермы
некоторых семян имеют вторичный прилегающий слой,
набухающий при прорастании и разрывающий
оболочку семени. Прорастающее семя покрыто слизью [39].
У водных растений эпидерма выделяет слизь, которую
можно рассматривать как аналог кутинового слоя
наземных растений [34]. Слизь обычно обнаруживают у
корневого чехлика. Она может образовывать слой
толщиной в несколько миллиметров вокруг воздушных
корней тропических растений [34], и значительная желе-
видная оболочка окружает кончики корней многих
вересковых растений [52]. У кукурузы (рис. 4) и у других
растений слизистый слой находится между кончиком
корня и протодермой, и слизь образуется между
клетками корневого чехлика перед их отслаиванием (рис. 7).
Молодые корневые волоски имеют слизистое пектиновое
покрытие.
Слизистые капельки образуются на концах корней
кукурузы. Были изучены их происхождение [44, 55] и
химический состав [35, 36]. Капельки происходят из
материала, содержащегося в пузырьках, образующихся
у верхушки полости увеличенных диктиосом. Пузырьки
сливаются с плазмалеммой и освобождают свое
содержимое в пространство между ней и оболочкой клеткиг
При подходящих условиях этот материал выдавливается
сквозь оболочку и собирается в виде капельки у
кончика корня. В электронном микроскопе он выглядит
мелкозернистым.
Капельки содержат сильно гидратированный
полисахарид с молекулярным весом приблизительно 9ХЮ7
[36]. При его гидролизе получают уроновую кислоту,
галактозу, арабинозу, ксилозу и фруктозу в
приблизительном молекулярном соотношении 3:7:5:11.
Капельки, образующиеся не в аксенной культуре, также
содержат свободные сахара (глюкозу и фруктозу) и
характеризуются фосфатазной и аденозинтрифосфатазной
активностью. Флойд и Ольрогге [36] сравнивали спектр
поглощения капелек полисахарида и материала из
тонкого слизистого слоя, покрывающего узловые корни,
растущие в насыщенном водой песке. Слизь легко
удалялась промыванием в воде. Оба спектра поглощения
были сходными, но не одинаковыми. Рентгеноскопия
показала, что экссудат в капельке мог усиливать дис-
71
пергирование глинистых частиц, обнажая более
активные поверхности и тем самым увеличивая доступность
питательных веществ [36].
Электронные микрофотографии Дженни и Гроссен-
бахера [43] границы раздела корень — «почва» у
корней ячменя, выращенных в пермутите, сильно повысили
интерес почвенных микробиологов к слизистому слою.
На их снимках видна просвечиваемая зона с внешней
стороны корней, иногда содержащая бактерии. У
дальнего края этой зоны, иначе неразличимой,
накапливаются маркирующие частицы гидроокиси железа. Там,
где слизь прикасалась к частице пермутита, она
утрачивала собственную границу и вела себя больше
подобно жидкости. По словам авторов, «здесь концепция о
самостоятельном слизистом слое или пленке утрачивает
свое должное значение, и мы предпочитаем говорить
о слизистом геле или муцигеле». Таким образом
термин «муцигель» (слизегель) был предназначен для
описания определенного материала или экссудата в
полужидком состоянии, который пропитывает прилегающие
частицы почвы или пермутита.
Были опубликованы фотографии, полученные с
помощью электронного микроскопа и иным путем,
слизистого слоя растений, выращенных в почве и в
питательных растворах [18, 20, 29, 31, 33, 37, 41]. В наиболее
полном исследовании Гриве и Дарбишир [41]
обследовали корни 16 сельскохозяйственных культур,
выращенных в садовой и стерильной почве, в песке и в
питательном растворе. В стерильной культуре слизь
выглядела как неравномерно распределенный слой зернистого
и волокнистого материала, покрывающий поверхность
корней и большинство корневых волосков. Больше всего
слизи находилось вокруг корневого чехлика. Почвенные
частицы прикреплялись к внешней поверхности
слизистого слоя или были распределены в самом слое. На
некоторых снимках почвенные частицы прикреплялись
также к поверхности корневых волосков без видимого
слизистого слоя [29]. В частности, более старые корни,
росшие в нестерильной почве, и корни в стерильной
почве или в питательном растворе, инокулированном
микроорганизмами содержали много бактерий и грибов,
погруженных в слизистом слое [31, 37, 41]. Бактерии
часто бывают окружены просвечиваемой электронами
зоной, вероятно, их собственным полисахаридом, которая
72
отличалась от окружающей слизи. Когда аксенные
культуры инокулировали бактериями, образовывались
большие количества слизи, было больше отмерших или
поврежденных клеток поверхности корня и слизистый слой
часто имел четкую внешнюю границу [29]. Такая мем-
брановидная структура часто видна как отдельная
темная линия, но иногда она имеет более сложную
структуру. В некоторых случаях она кажется непрерывной
с каким-то наружным слоем (возможно, кутикулой,
о которой сообщала Скотт [66]), покрывающим
эпидермис.
• Остаются нерешенными многие проблемы,
касающиеся происхождения, физического состояния и функций
слизистого слоя. Слизь в корневом чехлике явно имеет
два разных происхождения: из ослизненных клеточных
оболочек и как следствие активного выделения.
Возможно, два типа структуры слизи — зернистая и
волокнистая — отражают это различное происхождение.
Пока неизвестно, выделяются ли капельки слизи из
корневых волосков и клеток эпидермиса так же, как из
кончиков корня, или насколько это явление обычно у
разных видов растений. Оно наблюдалось у кукурузы и
яблони. Зрелые корневые волоски и клетки эпидермиса
содержат мало цитоплазмы и немного диктиосом, и
если механизм секреции такой же, как и в корневом чех-
лике, то она не может продолжаться долго. Если
большая часть слизи — это полужидкое выделение из
корневого чехлика, то она, вероятно, будет пропитывать
почвенные частицы, соприкасающиеся с кончиком корня.
В последующем они могут прикрепиться к поверхности
корня и стать почвенными комочками,
используемыми для определений численности популяций
ризосферы.
Много вопросов возникает и в отношении сходной с
мембраной границы слизистого слоя, особенно
поскольку она, видимо, встречается также и у растений,
выращиваемых в питательных растворах [31, 41]. Если она
биологического происхождения, то это может быть эпи-
дермальной кутикулой, и в этом случае слизь, вероятно,
секретирована скорее из корня, а не из корневого
чехлика. Если это так, то каким образом бактерий
попадают в слизистый слой, йе повреждая мембраны? Она
может быть также обусловлена присутствием
микроорганизмов на слизи или внутри нее — возможность, выска-
73
занная Гривсом и Дарбиширом [41]. Возможно более
вероятное объяснение — это не биологическое
происхождение ограничивающей мембраны. Она могла
образоваться в результате поверхностного высыхания или
подобно корочке на драчене в результате химического
взаимодействия с внешней средой. Плотный слой
«слизи» на корнях Paspalum notatum [33]—это твердый,
красновато-коричневый, прочно прилегающий слой,
который можно удалить только энергичным
соскабливанием. Он, видимо, сильно пропитан железом из
почвы.
Общепринято считать, что слизистый слой служит
богатым субстратом для микроорганизмов. Это,
возможно, не всегда так, в частности, когда слой состоит в
основном из материала разрушенных клеточных
оболочек. Редко можно наблюдать какие-либо признаки
изменения или разложения в слизи, окружающей
бактерии, и сильное накопление их собственных
полисахаридов скорее указывает на инкапсулирование, чем на
энергичный рост.
Недавние наблюдения над культурами корней
клевера, растущими в агаровом субстрате [58], могут
подсказать методику для дальнейших исследований слизе-
геля. Нанесение капли толуидиновой синей на корни,
растущие на поверхности агара, вызывает немедленную
коагуляцию и яркое малиновое окрашивание
материала, который, видимо, образует полужидкую пленку
вокруг корней и особенно вокруг корневого чехлика
(рис. 12). Эту окрашенную пленку очень осторожно
можно отделить от поверхности корней и от агара. У ее
наружного края хорошо выраженная граница, но
непосредственно у корней она более диффузна и хорошо
отделяется от них. Малиновое окрашивание указывает на
щелочную реакцию.
Имеются некоторые доказательства, что функция
слизи в растениях связана с ее способностью к
набуханию или затвердеванию. Выполняя прежде всего роль
защитного и смазочного слоя вокруг корней, она может
также служить местом прикрепления микроорганизмов
вблизи поверхности корней и, возможно, действует как
диффузионный барьер для экссудатов корней.
Совершенно ясно, что многое зависит от ее физического
состояния, которое, вероятно, меняется в зависимости от
содержания воды в почве.
74
3.3. ВЛИЯНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ
НА АНАТОМИЮ КОРНЯ
Местные повреждения, гипертрофия и гиперплазия,
образование смол, танинов и фенольных соединений —
таковы частые реакции растений на вторжение
патогенных организмов. Менее выраженные реакции — это
ослабленный рост корней, меньшая численность и
меньшая длина корневых волосков и более сильное
ветвление. Симбиотические связи между корнями и
микроорганизмами иногда вызывают поразительные
макроскопические изменения в строении корней с образованием
нового общего органа. Таковы клубеньки бобовых и
эктотрофная микориза некоторых древесных пород.
КЛУБЕНЬКИ
«Клубеньки», образующиеся на корнях, существуют
от нескольких месяцев до ряда лет и достигают
размеров от немногих миллиметров до сантиметров. Они
очень разнообразны по форме и появляются по
отдельности или гроздями на главном корне, в местах отхода
боковых корней или на обычных корнях [12, 32, 48, 51].
Они отличаются по анатомии, по видам
микроорганизмов, стимулирующих и (или) подавляющих их
появление, и по способности фиксировать атмосферный азот.
Многие из этих образований представляют собой
видоизмененные боковые корни, тогда как другие
развиваются как придаточные в коре корня. На корневом чех-
лике никогда не образуется клубеньков.
У растений из семейств Podocarpaceae, Araucariaceae
и Sciadopityaceae тонкие корни усеяны мелкими
однородными клубеньками, собранными в горизонтальные
рядки (рис. 13). Эти клубеньки размером обычно
менее 1 мм [10], по-видимому, образуются спонтанно, без
всякой стимуляции какими-либо микроорганизмами;
Кхан [46] получал такие клубеньки в аксенной
культуре Podocarpus falcatus. Это видоизмененные боковые
корни, возникающие, как и обычные, в перицикле
материнского корня и прорастающие сквозь кору,
покрывающую корень. После этого они перестают удлиняться
и в зрелом виде имеют центральный сосудистый
цилиндр, идущий в сам клубенек. Зрелые клубеньки не
имеют апикальной меристемы. Они могут иметь корне-
75
Рис. 13. Клубеньки на корнях Podocarpus dacrydioides.
вые волоски, но осенью кора клубеньков одревесневает
и клетки отмирают. Тем не менее эти клубеньки
многолетние; весной возобновляется деятельность
меристемы в перицикле у кончика сосудистого тяжа и новый
клубенек появляется из верхушки старого [10].
Материнские корни могут выглядеть как увешанные бусами.
Кора таких клубеньков часто заселяется ВА-эндофи-
тами из рода Endogone, образуя типичные ВА-зараже-
ния. Электронные микрофотографии инфекций в
клубеньках ногоплодника [11] очень похожи на инфекции
в корнях птицемлечника [65], табака [45] и лука
[25]. Клубеньки Podocarpus dacrydioides, выращенного
на перлите, также содержали смешанную популяцию
бактерий, случайных загрязнителей, численностью до
5ХЮ6 организмов на 1 г корней [10]. У двух других
видов — Aesculus indica [47] и Tribulus cistoides [2],
тропической травы из семейства Zygophyllaceae —
аналогичные клубеньки образуются самопроизвольно.
Клубеньки Aesculus также заселяются ВА-эндофитами [47].
Клубеньки, образующиеся в результате внедрения
микроорганизмов, бывают двух типов: это клубеньки
бобовых, образование которых вызвано видами Rhizobium,
и клубеньки, образование которых вызвано облигатным
симбионтом, предположительно актиномицетом, у ряда
.76
растений, часто древесных из ^семейств Casuarinaceae,
Myricaceae, Betulaceae, Eleagnaceae, Rhamnaceae, Cori-
ariaceae и Rosaceae [12].
Клубеньки обоих типов фиксируют атмосферный
азот, но отличаются по строению. Подобно клубенькам
ногоплодника, клубеньки небобовых растений
представляют собой видоизмененные боковые корни,
образующиеся в перицикле материнского корня. Там, где
удавалось наблюдать заражение, эндофит проникал в кончик
скрученного корневого волоска и прорастал в кору.
Тогда боковой, корень, вырастающий из перицикла вблизи
зараженных клеток коры, дает начало образованию
клубенька [12, 13]. Зрелый клубенек имеет
центральный сосудистый цилиндр, окруженный эндодермой,
часто содержащей танин, утолщенную кору и несколько
слоев пробковых клеток [13]. Апикальная меристема
разветвляется дихотомически (рис. 14), исключая
растения из семейства Casuarinaceae и Myricaceae, так что
клубеньки имеют сходство с кораллами. У Casuarina,
Рис. 15. Разрез верхней
половины клубенька Medicago sa-
tiva L.:
/ — бактериальная ткань; 2 —
боковая эндодерма; 3 — дистальный
чехлик; . 4 — сосудистый иучок.
Gale и Myrica
нормальные незараженные, но
отрицательно
геотропические корни растут из
каждой доли клубенька. Не
все клетки коры
заражаются; их распределение
варьирует в зависимости
от вида хозяина [13].
Возникновение и
развитие клубеньков
бобовых интенсивно
изучались и описывались.
В этой главе мы
касаемся только их
происхождения и строения. У
большинства бобовых умеренного пояса внедрение
бактерий происходит через корневые волоски. Этому
предшествует характерное скручивание волоска, которое, как
полагают, вызвано гормонами, выделяемыми
бактериями или индуцированными в растении. Скручивание
должно бы отражаться на ориентации микрофибрилл
целлюлозы и, вероятно, также на их скорости
отложения. Иногда нити инфекции возникают без
предварительного скручивания в местах соприкосновения двух
корневых волосков. Физическая среда ограниченного
пространства, имеющегося даже в петле скрученного
волоска, возможно, столь же важна для внедрения, как
и физиологические изменения в скрученном волоске.
Бактерии проникают в кору с помощью инфекционной
нити, и ее соседство стимулирует деление некоторых
клеток внутренней коры с образованием меристемы. Она
становится апикальной меристемой, из которой и
развивается весь клубенек. На рисунке 15 показана
анатомия клубенька люцерны. Характерна обширная
центральная зона, содержащая бактерии. Она окружена
прерывистыми сосудистыми пучками, развивающимися
базипетально от верхушки клубенька к его основанию, где
они соединяются с сосудистой системой материнского
корня. Сосудистые пучки окружены эндодермой и
также эндодерма отделяет бактериальную центральную
ткань от окружающей ее коры. Две особенности
отличают этот клубенек (рис. 16) от всех описанных ранее:
1) зона, заселенная микроорганизмами находится в
73
центре клубенька, а кора не заражена. Во всех других
клубеньках сосудистая, ткань находится в центре
клубенька и кора бывает заселена микроорганизмами;
2) клубенек возникает из коры экзогенно и позднее
образует сосудистую связь с материнским корнем бази-
петально. Другие клубеньки возникают эндогенно из
перицикла, и сосудистая ткань развивается акропеталь-
но, т. е. она растет из материнского корня вместе с
увеличивающимся клубеньком. Гистологическая природа
занятой бактериями центральной зоны клубеньков
бобовых не выяснена. Она может представлять
сердцевину. Если исключить отсутствие зародышевых почек и
листьев, то клубенек на рисунке 15 похож на верхушку
побега. Возможно, представляет некоторый интерес то
обстоятельство, что сходные с клубеньками структуры,
называемые сферобластами, могут также
образовываться экзогенно в коре некоторых стеблей [7]. Они либо
одревесневают, либо если подстилающий камбий
стимулируется к образованию каллюсной ткани и
устанавливает связь со все еще меристематическим клубеньком,
то может образовываться побег. Он несет все
характерные признаки ювенильности, т. е. его состояние
соответствует физиологическому состоянию проростка, он
имеет такую же форму листьев и способен
образовывать придаточные корни, способность, которая часто
утрачивается у зрелых форм. Недавно Триникк [73]
доказал, что азотфиксирующие клубеньки небобового
дерева Trema aspera из семейства Ulmaceae были
заселены клубеньковыми бактериями, способными
образовывать типичные клубеньки на бобовых растениях.
Любопытно, что клубеньки Тгета соответствуют
обычному для бобовых типу с заселенной бактериями
центральной зоной, периферийной сосудистой системой и
корковой паренхимой.
Несколько необычно для бобовых развитие
клубеньков у арахиса, Arachis hypogaea, хотя строение зрелых
Рис. 16. Схема,
показывающая разницу между клубень-,
ками, образованными Rhizo-
Ыит (слева) и образованными
или заселенными другими эндо-
фитами:
/ —» сосудистая ткань; 2 — кора;
3 — ткань, заселенная эндофитом.
клубеньков не отклоняется от обычного для бобовых
типа с бактероидной центральной частью, окруженной
незараженной корой [1]. Бактерии проникают сквозь
разрывы ткани в месте ответвления бокового корня.
Клубенек развивается в ткани появившегося бокового
корня и в это время окружен эндодермой материнского
корня. Поэтому Аллен О. Н. и Аллен Э. К. [1] считают
его эндогенным. Однако иногда можно различить
отдельные ткани в появляющемся боковом корне, в то
время когда он все еще окружен растянутой эндодермой
материнского корня [34], и снимки клубеньков
арахиса [1] подкрепляют мнение, что они возникают из
зачатков коры прорастающих боковых корней.
Целый ряд сходных с клубеньками образований был
получен на корнях различных растений в результате их
обработки ростовыми веществами [3, 4, 60]. Многие
вещества вызывали образование боковых корней или
неорганизованной ткани. Наиболее сходны с клубеньками
бобовых образования, полученные у ольхи (Alnus) при
обработке цитокининами [60], как и на культурах
корней табака [4]. У ольхи меристематические центры
возникают в коре и дают начало мутовкам ткани,
иногда содержащим трахеиды. Эти образования также
напоминают сферобласты. У табака псевдоклубеньки
образуются на всей корневой системе. При созревании они
достигают длины 3—5 мм, имеют неровную
поверхность, шарообразную или удлиненную форму.
Клубеньки происходят из групп активно делящихся
увеличенных клеток коры. Иногда ниже них появляются боковые
корни, и тогда в пазухах этих корйей образуются
сходные с клубеньками выросты, как у арахиса. Однако эта
«клубеньковая» ткань не содержит четко выраженной
меристемы и не образует сосудистой связи с
материнским корнем. По-видимому, не предпринималось
никаких попыток инокуляции этих клубеньков Rhizobium.
В связи с выражаемыми время от времени надеждами
вызвать образование азотфиксирующих клубеньков у
небобовых культурных растений индукция экзогенно
образуемых, сходных с клубеньками структур путем
обработки растовыми веществами может дать
интересные результаты.
Мак-Грегор и Александер [53] вызывали
образование опухолевидных выростов на корнях некоторых
бобовых путем инокуляции их не образующими клубень-
80
ков штаммами Rhizobium и облученными культурами
двух штаммов клубеньковых бактерий. Agrobacterium
tumefaciens вызывал образование аналогичных
опухолей у некоторых бобовых и, кроме того, разрывы коры. >.
Следовательно, клубеньки могут образовываться
самопроизвольно или под воздействием микроорганизмов.
Они делятся на два основных типа: задержанные в
развитии боковые корни и новообразования из ткани коры.
И те, и другие могут фиксировать азот, но участвующие
в этом микроорганизмы различны. Кроме того,
клубеньки, возникшие в результате задержки роста боковых
корней, могут заселяться ВА-эндофитами.
Макроскопически все эти клубеньки могут быть совершенно
одинаковыми. Тип образующегося клубенька обычно, но
ненеизменно определяется ботаническим сродством хозяина.
МИКОРИЗА
Как правило, только у эктотрофной микоризы
можно наблюдать заметные морфологические и
анатомические изменения в строении корня. У орхидных и
вересковых растений морфология корня мало изменяется
микоризной инфекцией. Заражение ВА-эндофитами
может вызвать небольшое утолщение коры, усиленное
ветвление тонких корней и желтовато-зеленое окрашивание.
Окраска обусловлена водорастворимым веществом,
образующимся главным образом в клетках с ветвящимися
гаусториями. У некоторых древесных пород [48, 74],
особенно у клена (Acer) [49], прерывистый рост корней,
например, под влиянием засухи приводит к тому, что
всасывающие тонкие корни выглядят как четки. У
таких корней клетки коры удлиняются скорее радиально,
а не продольно, кончики корней пробковеют и клетки
эндодермы пропитываются веществом, похожим на
танин. При благоприятных условиях рост возобновляется
из кончиков корней. Такие четковидные корни часто
заселяются ВА-эндофитами, хотя сами эндофиты не
вызывают образования «четок», и, кроме того, они
заражают также и нормальные корни тех же самых
растений.
Эктотрофная микориза включает очень
разнообразную группу структур и ассоциаций (рис. 17).
Морфогенез микоризы бука и сосны изучался подробно, и обзор
результатов был составлен Харли [42]. Обширная лите-
6 Почвенная микробиология
81
Рис. 17. Корни Pinus contorta с эктотрофной микоризой разных
типов [76].
ратура о внешнем виде и классификации эктотрофных
микориз вообще, была недавно суммирована Заком
[76]. Поскольку один вид-хозяин (Pseudoisuga menzie-
sii) может иметь более 100 различных эктомикориз
[76], совершенно ясно, что здесь могут быть
рассмотрены только главные видоизменения в строении
корней, возникающие в результате такой ассоциации.
Типичная эктотрофная микориза заметно отличается
от незараженного корня (рис. 18). Это короткий
горизонтальный корешок, прекративший рост и полностью
дифференцированный до самого кончика. Его наружная
поверхность, которая может быть гладкой, покрытой
волосками или даже колючей, обычно покрыта псевдо-
паренхиматической тканью, состоящей из тесно
спрессованных гиф. Эта оболочка или чехол покрывает весь
корешок, включая его верхушку. Она возникает как
деликатная основа или тонкий прерывистый слой гиф на
поверхности корня и представляет собой первый этап
в развитии эктотрофной микоризы. Иногда оболочка
может отсутствовать или состоять из одного слоя гиф,
но обычно ее толщина достигает нескольких микрон.
82
Иногда она состоит из двух (Глоев. Внутренний слой
может содержать мертвые, отслоившиеся клетки корня,
но здесь не бывает корневых волосков и нет корневого
чехлгка, сравнимых с теми, что имеются у незаражен-
ных корней. Строение наружных клеток коры корня
сильно видоизменено. Они растягиваются скорее в
радиальном, чем в продольном направлении, могут
содержать танин, и часто их оболочки сильно утолщены.
Эти наружный и часть подстилающих слоев клеток
могут заселяться грибом в межклетниках или внутрикле-
точно. Внутриклеточная инфекция состоит из масс
переплетенных гиф, несколько сходных с гифами микоризы
вересковых и орхидных, но без явных признаков
переваривания грибом. Такие заражения иногда
характеризуют как эктоэндотрофные. Более типично
межклеточное заражение—«сеть Хартига», состоящая из
разделенных перегородками гиф, растущих между клетками
коры. Обычно они проникают лишь сквозь более
поверхностные слои коры. Эндодермис никогда не нарушается,
и структура стержня остается неизмененной.
Рис. 18. Продольные и поперечные разрезы (схематично)
корней эвкалипта без микоризы (вверху) и с микоризой
(внизу):
/ — грибной чехол; 2 —» сеть Хартига; 3 — клетка эпидермиса; 4 —
сосудистая ткань.
6*
83
Типичная анатомия и морфология эктотрофной
микоризы может быть имитирована в аксенных условиях
путем обработки ауксином и культуральными
фильтратами эктотрофных микоризных грибов [42, 69]. Слан-
кис [68] показал, что ауксины, наносимые экзогенно,
могут перемещаться в корне как дистально, так и
проксимально. Он пришел к выводу, что ауксин,
образуемый микоризными грибами, вызывает образование
коротких корешков — обязательной предпосылки для
образования микоризы — и оказывает влияние на всю
корневую систему, определяя частоту и последовательность
образования длинных и коротких корней. Этим,
возможно, объясняется, почему незараженные короткие
корни, изредка зараженные длинные корни и другие
промежуточные стадии между незараженными корнями
и типичной эктотрофной микоризой встречаются у
зрелых деревьев в природных местообитаниях [42]. Слан-
кис [69] показал также, что при низкой интенсивности
света можно подавить морфогенетическое влияние
ауксина.
Макроскопически эктотрофная микориза может быть
отдельными вздувшимися боковыми корнями, сложно
дихотомически разветвленными коралловидными,
узловатыми или клубеньковыми структурами. Бугорчатые
[72] и узловатые [42] структуры состоят из перидия
или рыхлой ткани гиф, окружающей сильно
разветвленный микоризный корешок; иногда плодоношение гриба,
рыхло прикрепленное к корню, описывалось как
бугорчатая микориза.
ДВОЙНОЕ ЗАРАЖЕНИЕ
Отдельное растение-хозяин может реагировать на
различные микроорганизмы, обеспечивая для каждого
из них требуемое место обитания. Таким образом,
инфицирование может происходить в близких местах на той
же корневой системе, но эти места никогда не
совпадают.
Например ВА-микориза может заражать корни
бобовых, но не будет внедряться в клубеньки Rhizobium,
находящиеся на микоризных корнях [26]. Точно так же
у Discaria клубеньки, содержащие актиномицеты,
могут возникнуть на корнях, зараженных ВА-эндофитами.
Неизвестно, заражает ли грибной эндофит корни до,
после или во время формирования клубенька. Alnus
84
rubra имеет ряд видов эктотрофных микориз [59], так
же как и клубеньки, содержащие актиномицеты, а виды
Dry as также имеют и те и другие. Эктотрофная и
ВА-микоризы могут встречаться на разных частях
корней лещины. Только Rhizobium и клубеньки,
содержащие актиномицеты, по-видимому, ограничиваются
отдельными хозяевами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Почвенная микробиология занимается
классификацией, наименованием и деятельностью микроорганизмов
в почве, и многие аспекты деятельности микробов
прямо или косвенно отражаются на росте растений.
Непосредственные влияния в большой степени зависят от
близости микроорганизмов к корням. Если бактерии
повышают доступность питательных веществ, таких, как
фосфор, выделяют ростовые вещества или фиксируют
азот на каком-то расстоянии от корня, то
эффективность такой деятельности уменьшается
пропорционально расстоянию от микроорганизмов до корня. Таким
образом, пространственные зависимости важны, и автор
пыталась их обрисовать.
Существует взаимная связь между деятельностью
микробов и корня, наиболее сильно выраженная в тех
случаях, когда видоизменения в строении корня
создают специализированные места обитания для
.микроорганизмов. Такие видоизменения иногда можно
имитировать, обработав растения, выращенные в аксенной
культуре, гормонами. Логично предположить, что это также
представляет собой механизм, с помощью которого
микроорганизмы вызывают такие структурные изменения.
Совсем недавно было доказано, что обильно
разветвленные корни, характерные для Proteacea, могут быть
следствием деятельности микроорганизмов, но не
заселяются ими. С другой стороны, Podocarpus falcatus
образует клубеньки аксенно, а другие Podocarpaceae,
как полагают, образуют клубеньки самопроизвольно.
В последующем они могут быть заселены эндофитами.
Интересно было бы выяснить, нет ли какой-то общей
эволюционной тенденции у этих ассоциаций или же
каждая из них развивалась собственным, особым путем.
Анатомическим и морфологическим исследованиям
несколько угрожает опасность вытеснения электронной
85
микроскопией и обеспечиваемым ею новым пониманием
взаимосвязи в системе хозяин — микроорганизм. Эти две
методики должны дополнять одна другую, и было бы
жаль, если знания, накопленные в прежних
исследованиях анатомии развития этих ассоциаций, будут забыты
или важность этого подхода будет недооценена.
ЛИТЕРАТУРА
1 Allen О. N., А11 е n E. К. Response of the peanut plant to
inoculation with rhizobia, with special reference to morphological
development of the nodules, Bot. Gaz., 102, .121—142 (1940).
2. A11 e n E. K., A11 e n O. N. The anatomy of the nodular growths
on the roots of Tribulus clstoides L., Proc. SSSA, 14, 179—183
(1949).
3. A11 e n E. K., Allen O. N., Newman A. S. Pseudo-
nodulation of leguminous plants induced by 2-bromo-3,5-dichloro-
benzoic acid, American Journal of Botany, 40, 429—435 (1953).
4. A r о r a N., S k о о g F., A11 e n O. N. Kinetin induced pseudo-
nodules on tobacco roots, Amer. /. Bot., 46, 610—613 (1959).
5. A v e r s C. J. Histochemical localisation of enzyme activity in the
root epidermis of Phleum pratense, American J. Botany, 45,
609—613 (1958).
6. Ayers W. A., Thornton R. H. Exudation of amino acids by
intact and damaged roots of wheat and peas, Plant and Soil, 20,
364—370 (1968).
7. В a 1 d i n i E., M о s s e B. Observations on the origin and
development of sphaeroblasts in the apple, 7. Horticultural Science, 31,
156—162 (1956).
8. Barber D. A., Lee R. B. The effect of microorganisms on the
absorption of manganese by plants, New Phytologist, 73, 97—106
(1974).
9. В а у 1 i s G. T. S. Fungi, phosphorus and the evolution of root
systems, Search, 3, 257—258 (1972).
10. В ay lis G. T. S., McNab R. F. R., Morrison Т. М. The
mycorrhizal nodules of Podocarps, Transactions of the British
Mycological Society, 46, 378—384 (1963).
11. Becking J. H. Nitrogen fixation and mycorrhiza in Podocarpus
root nodules, Plant and Soil, 23, 213—226 (1965).
12. Becking J. H. Plant-endophyte symbiosis in non-leguminous
plants, Plant and Soil, 32, 611—^654 (1970).
13. Bond G. The root nodules of non-leguminous angiosperms, in
Symbiotic Associations: XHIth Symposium of the Society of
General Microbiology (ed. by P. S. Nutman, B. Mosse), 72—91,
(1963).
14. Bo wen G. D., Rovira A. D. The influence of
micro-organisms on the growth and metabolism of plant roots, in Root
Growth: Proceedings of 15th Easter School in Agricultural Science
University of Nottingham (ed. by W. J. Whittington), 170—199.
Butterworths, London (1969).
15. Bo wen G. D., Rovira A. D. Are modelling approaches
useful inn rhizoshere biology? Bulletins from the Ecological Research
Committee (Stockholm), 17, 443—450 (1973).
86
16. Bowen G. D., Theodorou C. Growth of ectomycorrhizal
fungi around seeds and roots, in Ectomycorrhizae (ed. by
G. C. Marks. Т. Т. Kozlowski), 107—150. Academic Press, New
York (1973).
17. В с u 11 e r D., Jeremy J. J., Wilding M. Amino acids
liberated into the culture medium by pea seedling roots, Plant and
Soil, 24, 121—127 (1966).
18. В rams E. The mucilaginous layer of citrus rooths — its delinae-
tion in the rhizosphere and removal from roots, Plant and Soil,
30, 105—108 (1969).
19. Brown M. E. Seed and root bacterization, Annual Review of
Phytopathology, 12, 311—331 (1974).
20. С a m p b e 11 R., R о v i r a A. D. The study of the rhizosphere
by scanning electron microscopy, Soil Biology and Biochemistry,
5, 747—752 (1973).
21. Clowes F. A. L. Apical meristems of roots, Biological Reviews,
34, 501—529 (1959).
22. Clowes F. A. L., Juniper B. E. Plant Cells. Blackwell,
Oxford (1968).
23. С о r m а с к R. G. H. The development of root hairs in angio-
sperms, Botanical Review, 15, 583—612 (1949).
24. С о r m а с к R. G. H. Development of root hairs in angiosperms.
II, Botanical Review, 28, 446—464 (1962).
25. Cox G., Sanders F. Ultrastructure of the host-fungus
interface in a vesicular-arbuscular mycorrhiza, New Phytologist, 73,
901—912 (1974).
26. С r u s h J. R. Plant growth responses to vesicular-arbuscular
mycorrhiza. VII. Growth and nodulation of some herbage legumes,
New Phytologist, 73, 743—749 (1974).
27. С u r r i e r H. B. Callose substance in plant cells, American
J. Botany, 44, 478—488 (1957).
28. D a r b у s h i г e J. F., Greaves M. P. The invasion of pea
roots, Pisum sativum L., by soil microorganisms Acanthamoeba
palestinensis (Reich) and Pseudomonas sp., Soil Biology and
Biochemistry, 3, 151—155 (1971).
29. D a r b у s h i r e J. F., Greaves M. P. Bacteria and protozoa in
the rhizosphere, Pesticide Science, 4, 349—360 (1973).
30. D a r t P. J. Scanning electron microscopy of plant roots, /.
Experimental Botany, 22, 163—168 (1971).
31. Dart P. J., Mercer F. V. The legume rhizosphere, Archiv fur
Mikrobiologie, 47, 344—378 (1964).
32. De Rothschild D. I. Nodulacion en leguminosas subtropicales de
la flora argentina, Revista del Museo Argentino de Ciencias Na-
iur ales'Bernardino Rivadavia', 3, 367—386 (1970).
33. D 6 b e r e i n e r J., Day J. M., D a r t P. J. Nitrogenase activity
and oxygen sensitivity of the Paspalum notatum — Azotobacter
paspali associations, J. General Microbiology, 71, 103—116 (1972).
34. Esau K. Plant Anatomy. Wiley, New York (1953).
35. F1 о у d R. А., О h 1 г о g g e A. J. Gel formation on nodal root
surfaces of Zea mays. I. Investigation of the gel's composition,
Plant and Soil, 33, 331—343 (1970).
36. Floyd R. A., Ohlrogge A. J. Gel formation on nodal root
surfaces of Zea mays. Some observations relevant to
understanding its action et the root-soil interface, Plant and Soil, 34,
595—606 (1971).
87
37. F о s t e r R. C, R о v i г a A. D. The rhizosphere of wheat roots
studied by electron microscopy of ultrathin sections, Bulletins from
the Ecological Research Committee (Stockholm), 17, 93—102
(1973).
38. Franke W. Mechanism of foliar penetration of solutions, Annual
Review of Plant Physiology, 18, 281—300 (1967).
39. Frey-Wyssling A., Muhlethaler K. Ultrastructural
Plant Cytology, 326. Elsevier, Amsterdam (1965).
40. G a r r e 11 S. D. Pathogenic Root-infecting Fungi. Cambridge
University Press (1970).
41. Greaves M. P., Darbyshire J. F. The ultrastructure of the
mucilaginous layer on plant roots, Soil Biology and Biochemistry,
4, 443—449 (1972).
42. H a r 1 e у J. L. Biology of Mycorrhiza, 2nd edition. Leonard Hill,
London (1969).
43. Jenny H., Grossenbacher K. Root-soil boundary zones as
seen in the electron microscope, Procc. SSSA, 27, 273—277
(1963).
44. J u n i p e r B. E., Roberts R. M. Polysaccharide synthesis and
the fine structure of root cap cells, /. Royal Microscopical Society,
85, 63—72 (1966).
45. К a s p a r i H. Elektronenmikroskopische Untersuchung zur Fein-
struktur der endotrophen Tabakmykorrhiza, Archiv fur Mikrobio-
logie, 92, 201—207 (1973).
46. Khan A. G. Podocarpus root nodules in sterile culture, Nature,
215, 1170 (1967).
47. Khan A. G. Podocarp-type mycorrhizal nodules in Aesculus
indica, Annals of Botany, 36, 229—238 (1972).
48. К h a n A. G. V, a 1 d e r P. G. The occurrence of root nodules in
the Ginkgoales, Taxales and Coniferales, Proc. Linnean Society of
New South Wales, 97, 35—41 (1972).
49. К e s s 1 e r K- J. Growth and development of mycorrhizae on sugar
maple, Canadian J. Botany, 44, 1413—1425, (1966).
50. L a m b e r t z P. Untersuchungen uber das Vorkommen von Plas-
modesmen in den Epiderrnisaussenwanden, Planta, 44, 147—190
(1954).
51. Lange R. T. Additions to the known nodulating species of
Leguminosae, Antonie van Leeuwenhoek J. Microbiology and
Serology, 25, 272—276 (1959).
52. Leiser A. T. A mucilaginous root sheath in Ericaceae, American
/. Botany, 55, 391—398 (1968).
53. Macgregor A. N., Alexander M. Formation of tumor-like
structures on legume roots by Rhizobium, J. Bacteriology, 105,
728—732 (1971).
54. M a r с h a n t R. The root surface of Ammophila arenaria as a
substrate for microorganisms, Transactions of the British Myco-
logical Society, 54, 479—506 (1970).
55. M о г г ё D. J., J о n e s D. D., M о 11 e n h a u e r H. H. Golgi
apparatus mediated polysaccharide secretion by outer root cap cells
of lea mays, Planta, 74, 286—301 (1967).
56. M о s s e B. Advances in the study of vesicular-arbuscular
mycorrhiza, Annual Review of Phytopathology, 11, 171—196 (1973).
57. M о s s e B. Plant growth responses to vesicular-arbuscular
mycorrhiza. IV. In soil given additional phosphate, New Phytologist,
72, 127—136 (1973).
88
58. М о s s е В., Н е р р е г С. Vesicular-arbuscular mycorrhizal
infections in root organ cultures, Physiological Plant Pathology (in
press) (1975).
59. N e a 1 J. L., T r a p p e J. M., L u К. С, В о 11 e r W. B. Some
ectotrophic mycorrhizae of Alnus rubra, in Biology of Alder:
Proceedings of the Northwest Scientific Association. 40th Annual
meeting (ed. by J. M. Trappe, J. F. Franklin, R. F. Tarrant,
G. M. Hansen), 179—184 (1968).
60. Rodriguez-Barrueco C, Bermudez de Castro F.
Cytokinin-induced pseudonodules on Alnus glutinosa, Physiologia
Plantarum, 29, 277—280 (1973).
61. Roelofsen P. A. The plant cell-wall, in Encyclopedia of Plant
Anatomy (ed. by W. Zimmermann, P. G. Ozenda), 2nd edition.
Gebruder Borntraeger, Berlin (1959).
62. R о s e n e H. F. A comparative study of the rates of water influx
into the hairless epidermal surface and the root hairs of onion
roots, Physiologia Plantarum, 7, 676—686 (1954).
63. R о v i r a A. D. Plant root exudates, Botanical Review, 35,
35-57 (1969).
64. R о v i r a A. D. Zones of exudation along plant roots and spatial
distribution of microorganisms in the rhizosphere, Pesticide Science,
4, 361—366 (1973).
65. S с a n n e r i n i S., В e 11 a n d о М. 'Sull' ulstrastuttura delle
microrrize endotrofiche di Ornithogallum umbellatum L. in attivi-
ta vegetativa, Atti delle Accademia delle Scienze Torino, 102,
795-809 (1968).
66. S с о 11 F. M. The anatomy of plant roots, in Ecology of Soil
borne Plant Pathogens (ed. by K. F. Baker and W. C. Snyder),
145—151. University of California Press, Berkeley (1965).
67. Scott F. M., В у s t г о m B. G., Bowler E. Root hairs, cuticle
and pits, Science, 140, 63—64 (1963).
68. S 1 a n к i s V. The role of auxin and other exudates in
mycorrhizal symbiosis of forest trees, in Physiology of Forest Trees (ed. by
K. V. Thimann). Ronald Press, New York (1958).
69. S lank is V. Hormonal relationships in mycorrhizal development,
in Ectomycorrhizae (ed. by G. C. Marks, Т. Т. Kozlowski),
232—298. Academic Press, New York (1973).
70. Sun С N. Growth and development of primary tissues in
aerated and non-aerated roots of soybean, Bulletin of the Torrey
Botanical Club, 82, 491—502 (1955).
71. Talboys P. W. Some mechanisms contributing to Verticillium-
resistance in the hop root, Transactions of the British Mycological
Society, 41, 227—241 (1958).
72. Trappe J. M. Tuberculate mycorrhizae of Douglas fir, Forest
Science, 11, 27—32 (1965).
73. T r i n i с к М. J. Symbiosis between Rhizobium and the
non-legume Trema aspera, Nature, 224, 459—460 (1973).
74. V о z z о J. A., H а с s к а у 1 о Е. Anatomy of mycorrhizae of
selected eastern forest trees, Bulletin of the Torrey Botanical
Club, 91, 378—387 (1964).
75. Wood R. K. S. Physiological Plant Pathology. Blackwell, Oxford
(1967).
76. Z а к В. Classification of ectomycorrhizae, in Ectomycorrhizae
(ed. by G. С Marks, Т. Т. Kozlowski), 43—78, Academic Press,
New York (1973).
89
4
УЧАСТИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ И КОРНЕЙ
РАСТЕНИЙ В КРУГОВОРОТЕ ФОСФОРА
Д. С. ХЕЙМЕН (D. S. HAYMAN)
Фосфор — один из главных элементов в питании
растений, и они получают его из почвы. Факторы, влияющие
на растворимость почвенных фосфатов, их поглощение
растениями и их возврат в почву в растительных
остатках, имеют фундаментальное значение для роста
растений. В данной главе обсуждается роль микроорганизмов
в этих процессах.
4.1. КРУГОВОРОТ ФОСФОРА И ЭКОСИСТЕМЫ
Круговорот почвенного фосфора по традиции
изображают в виде цикла (рис. 19). Одна из главных черт
этого цикла заключается в том, что основная масса
фосфора в почве «выведена из строя» и лишь около 1 %
его или даже меньше включается в надземную
растительность в течение вегетационного периода. Это
относится как к высокоурожайным сельскохозяйственным
культурам, так и к естественной растительности
(табл. 2). При выращивании сельскохозяйственных
культур круговорот фосфора открытый вследствие внесения
фосфора удобрений для возмещения постоянного
удаления его с урожаем. При естественной растительности
цикл практически закрытый, за исключением очень
небольших количеств, поступающих с осадками и из более
глубоких горизонтов почвы или теряемых вследствие
вымывания, и большая часть растительного фосфора
возвращается в круговорот в результате микробного
разложения подстилки и органических остатков. Ярким
примером может служить бразильский дождевой лес,
где пышная растительность покрывает истощенную
почву, неспособную поддерживать хороший рост культур
90
Рис. 19. Круговорот почвенного фосфора:
/ — фосфор в растворе; // — обменный фосфор; /// — корни растений
(в том числе корне- и клубнеплоды, удаляемые с урожаем); IV —
микроорганизмы; V — надземные части растений и животные как
продукция; VI — нерастворимый фосфор (а — минеральный; б —
органический). / — удобрения; 2 — поглощение растениями; 3
—иммобилизация; 4 — растительные остатки и подстилка; 5 — перевод б
растворимое состояние и минерализация микроорганизмами и корнями
растений; 6 — медленно устанавливаемое химическое равновесие; 7 —
осаждение оксилами Al. Fe, Ca; 8 — адсорбция коллоидами глины
и полуторными окислами А1 и Fe; 9 — вымывание; 10 — быстрый
обмен.
после сведения леса [81]. Из 6,9 и 9,4 кг/га фосфора,
ежегодно поглощаемых в бельгийских лесах,
упомянутых в таблице 2, на поверхность лесной почвы, главным
образом в форме подстилки, возвращается
соответственно 4,7 и 5,4 кг/га фосфора. Кроме того, значительная
часть фосфора, удерживаемого деревьями, находится в
круговороте в самих деревьях: например, 3,3 из 5,5 кг/га
фосфора, поглощенного 20-летним древостоем сосны
ладанной, Pinus taeda [85].
91
Таблица 2. Ежегодный круговорот фосфора
в различных экосистемах
Тип
растительности
Ячмень
Картофель
Средняя
культура в 1930 г.
Природный зла-
ковник
Верещатник (с
эрикой)
Дубовый лес
Дубово-ясеневый
лес
Лес псевдотсуги
тисолистной
Возраст,
годы
1
1
1
—
2
70
140
36
Страна
или
местность
Англия
Англия
США
Канада
Шотландия
Бельгия
Бельгия
США
Общий фосфор
в почве, кг/га
2200(0-25 cm)i
2050(0-25 см)2
1150(0—25 см)
2913(0-30 см)
437
920(0—40 см)
2200(0—40 см)
2362(0-30 см)
Ежегодное
поглощение
фосфора
тительностью,
кг/га
10
И
6
2,1
2
6,9
9,4
7,2
Источник
[22]
[22]
[15]
[39]
[69]
[271
[271
[21]
1 Пересчет исходя из содержания общего фосфора в почве, равного-
735 мг/кг.
3 Из расчета содержания общего фосфора в почве 682 мг/кг.
Распределение фосфора в канадских степях,
указанное в таблице 2, было исследовано подробно. В июле,
если выразить его содержание в килограммах на 1 га,
зеленый растительный материал содержал 2,1, стоящий
мертвый растительный материал — 2,1, подстилка — 0,7,
корни и корневища —10,7, потребители
растительности— менее 1,0 и почвенная фауна и микроорганизмы —
19,8. Таким образом, почвенные микроорганизмы, по-
видимому, содержат по меньшей мере столько же
фосфора на 1 га, как и вся растительность.
4.2. СОЕДИНЕНИЯ ФОСФОРА В ПОЧВЕ
Поскольку лишь около 1% фосфора в любой
экосистеме содержится в живых компонентах, необходимо
обсудить остальные 99% как фон для деятельности
растений и микробов. Химизм почвенных фосфатов
сложен, и со всеми деталями его можно познакомиться в
других работах [15, 19, 22, 50, 72, 76, 83]. Здесь нас
интересуют общепризнанные принципы и факты.
92
Почвенные фосфаты удобнее ^всего делить на две
категории— легкорастворимые и нерастворимые.
Нерастворимые фосфаты, недоступные непосредственно для
растений или микроорганизмов, обычно составляют около
95—99% общего содержания фосфора в почве (табл. 3).
Таблица 3. Содержание фосфора в некоторых почвах, мг/кг
Тип почвы
Ротамстед (Барнфилд, без Р)
Ротамстед (Барнфилд+
+PKNaMg)
Эшридж (черный пар)
Вуберн (черный пар)
Боуэр Хит (злаковый выгон)
Уорхем (верещатник)
Сент-Леонард (верещатник)
Миллбрук (листопадный лес)
Общий
фосфор
610
1170
720
1552
780
132
228
1048
Фосфор,
растворимый в
0,5 М NaHC03
17
99
16
26
18
5
8
10
Фосфор,
растворимый в
0,01 М СаС12
(мкМ/л)
0,6
7,3
1,2
1,4
1,0
3,2
0,7
0,8
Примечание. Данные о первых двух почвах взяты из [22], об
остальных — из [44].
Нерастворимые неорганические соединения фосфора
во всех почвах большей частью связаны с тремя
элементами, из которых железо и алюминий являются
главными фиксаторами в кислых почвах, а кальций — в
почвах от слегка кислых до щелочных. Их количество
может быть определено путем использования серии
химических экстрагентов [20]. Большинство минеральных
фосфатов в земной коре представлено апатитом,
преимущественно нерастворимым фторапатитом кальция,
ЗСаз(Р04)2-СаР2. Он выветривается в почве с
образованием ряда вторичных минералов, таких, как оксиапатит,
ЗСа3(Р04)2-Са(ОН)2. Большая масса нерастворимых
соединений железа и алюминия в почве включает гидра-
тированные фосфаты, такие, как стренгит, FeP04-2H2O
и варисцит, А1Р04-2Н20. В кислых почвах фосфор
осажден на поверхности окислов железа и алюминия, или
свободным ионом алюминия в растворе, или же
прикреплен к кристаллам силикатов, таких, как каолинит и
монтмориллонит. Эти процессы иногда называют «фиксация
фосфора». Добавление извести в кислые почвы
вызывает обмен ОН--иона с ионом НУРС^- в оксифосфате, тем
93
самым увеличивая содержание фосфора в почвенном
растворе.
Количество общего нерастворимого почвенного
фосфора в органической форме колеблется в широких
пределах, примерно от 30 до 85%, если исключить
экстремальные типы почв [4,24]. Оно особенно велико в
кислых почвах и обычно связано с количествами углерода
и азота в почве в соотношении примерно ПО частей
углерода на 9 частей азота и на 1 часть фосфора.
Около 30—50% его состоит из фитинового материала, в
основном фосфатов инозита. До 3% содержится в
нуклеиновых кислотах и нуклеотидах и около 1 % в фос-
фолипидах. Имеются также следы фосфатов в сахарах
и в инозите. По меньшей мере половина общего
органического фосфора в почве остается неучтенной, но она
может находиться в комплексных соединениях с
гумусовыми материалами. Фитин накапливается главным
образом в виде нерастворимых фитатов железа и
алюминия в кислых почвах и в виде нерастворимых фитатов
кальция в щелочных условиях. Нуклеиновые кислоты
легко разлагаются, и этим частично объясняется их
низкое содержание в почвах; их разложение несколько
замедляется адсорбцией на глинистых частицах.
Нерастворимые почвенные фосфаты лишь медленно
достигают равновесия с легко растворимой фракцией.
Между этими фракциями нет резкой границы, потому что
большая часть растворимых ионов фосфатов
адсорбируется твердой фазой почвы. Эти адсорбированные
ионы быстро обмениваются с ионами фосфатов в
почвенном растворе. Количество легко растворимых
фосфатов в зоне адсорбции и в почвенном растворе часто
называют обменным фосфором, фосфором, доступным
для растений, или лабильным фондом. Этот фонд
пополняется в результате десорбции фосфора другими
ионами (например, НСОз~, силикаты, ОН~), растворения
нерастворимых минеральных фосфатов и
минерализации органического фосфата. Его лучше всего измерять,
уравновешивая почву с раствором, содержащим
радиоактивный 32Р, и выращивая растения в этой меченой
почве. Отношение 32Р к 31Р (удельная активность) в
растениях (используемых для вычисления значения
«L») отражает отношение 32Р к 31Р в лабильном фонде
почвенных фосфатов (используемое для вычисления
значения «Е»). Таким образом, если в почве много об-
94
менного фосфора, то удельная активность фосфора в
фонде будет низкой. Некоторые реагенты, например
NaHC03, быстро десорбируют фосфаты и обеспечивают
приблизительное измерение части «фонда» без
растворения менее доступных фосфатов (табл. 3).
Зависимость между количествами фосфора на
обменных участках и в почвенном растворе выражает
способность почвы поставлять растворимый фосфор.
В почве с невысокой поглотительной способностью
концентрация в почвенном растворе будет быстро
снижаться, даже если она первоначально была высокой, по мере
роста растений в этой почве, но будет мало изменяться
в течение роста культуры, если она поддерживается
большим обменным фондом.
Лишь небольшое количество легко растворимого
фосфата присутствует в любой данный момент в
почвенном растворе. Его количество обычно определяется в
мягких эстрагентах, таких, как раствор СаСЬ (табл. 3).
В бедных почвах встречаются концентрации, равные
10~7 М или меньше, но более обычные концентрации в
Ю-6 М (что эквивалентно 0,03 мг Р/кг почвы).
Концентрации могут достигать 10-5М или 10~4М в некоторых
почвах при внесении минеральных удобрений. В
разбавленных растворах форма иона фосфата изменяется в
соответствии с рН и фосфорная кислота диссоциируется
следующим образом:
H3P04=f±H++H2P04 ^Н++НР042-^Н++Р043-.
При рН 6,0 94% фосфата присутствует в форме
Н2Р04"~-иона, а при рН 7,0 — 61%. В интервале между
рН 5 и рН 9 количества недиссоциированного Н3РО4 и
трехвалентного РО^-иона незначительны.
4.3. ПОГЛОЩЕНИЕ ПОЧВЕННОГО ФОСФОРА
РАСТЕНИЯМИ
Обычно считается, что большинство почвенного
фосфора, если не весь фосфор, поглощаемый растениями,,
находится в форме ионов ортофосфата в почвенном
растворе. Хотя какое-то количество органического фосфора
также присутствует в почвенном растворе [90], вопрос
о том, поглощается ли он растениями непосредственно,
нуждается в дальнейшем изучении. Обычно говорят, что
растения «предпочитают» ион Н2РО4- иону НР04"~2.
9S
Поскольку первый — это преобладающий ион при рН,
при котором «фиксация» фосфора минимальная,
например рН 6,5, большинство доступного растениям фосфора
обычно имеется как раз при этом рН. -
Средняя концентрация ортофосфата в почвенном
растворе, равная примерно 10_6М, близка к пределу,
при котором растения способны поглощать достаточно
фосфора. Однако критические (пороговые)
концентрации неодинаковы для разных растений. Так, например,
Рорисон [70], используя водные культуры, установил,
что крапива двудомная, Urtica dioica, которая растет
только на достаточно плодородных почвах, прекрасно
росла только при концентрации 10~5М или большей,
тогда как щавель кислый, Rumex acetosa, обладающий
большой приспособляемостью к почвам, выживал во
всем интервале концентраций. Скабиоза желтая, Sca-
biosa columbaris, плохо росла при концентрации 10~7М
и лучше всего при 10-3М. В противоположность этому
щучка, Deschampsia flexuosa, непрерывно росла при
концентрациях до 10~7М и лишь слабо отзывалась на
концентрацию 10~3М. Эти пороговые концентрации, по-
видимому, связаны с наследственно различными типами
роста и метаболизмом разных видов растений.
Действительно, много метаболической энергии требуется для
поглощения фосфора, потому что его концентрация
внутри корней растения обычно более чем в 1000 раз
превышает концентрацию в почвенном растворе:
указывались концентрации 10~2М в клетках коры и 10~3М в
соке ксилемы [14].
Средний урожай культуры, с которым из почвы
удаляется 10 или больше килограммов фосфора с 1 га в
год, требует в сотни раз больше фосфора, чем может
быть найдено в какое-то время в почвенном растворе
в зоне роста корней, где его содержание в типичной
окультуренной почве всего порядка 0,04 кг/га [72].
Таким образом, наиболее важный фактор, влияющий на
поглощение растениями почвенного фосфора,— это
скорость, с которой в почвенном растворе у корней
растений поддерживается достаточная концентрация
фосфора. В нормальных почвах этого не достигается, потому
что, хотя десорбция лабильного фосфора в почвенный
раствор происходит очень быстро для почвенной массы
в целом, корни имеют контакт лишь с относительно
небольшим объемом почвы. Следовательно, лабильный
96
фосфор истощается у поверхности корней, хотя и не
полностью [6,29], и должен быть восполнен растворимым
фосфором из более удаленной почвы. Но ионы
фосфатов не очень подвижны в почве. Они перемещаются
главным образом путем диффузии через почвенный
раствор в соответствии с градиентом концентрации,
обусловленным пониженной концентрацией ионов, у
поверхности корней. Диффузия ионов фосфата замедляется
мелкими частицами почвы, которые делают диффузионный путь
более извилистым и обратимо прикрепляют их к своей
поверхности. Движение ионов фосфатов за счет
массового потока в воде, поглощаемой и транспирируемой
растениями, может объяснить только небольшую долю
поглощенного фосфора. Следовательно, фосфаты
пополняются в почвенном растворе вблизи корней гораздо
медленнее, чем растения их поглощают. Это создает
зону обеднения фосфором вокруг корней. Эту зону
шириной 1 или 2 мм можно видеть на радиоавтограммах
меченой почвы вокруг корней [13, 51]. Она совпадает
с ризосферой (см. главу 2) — областью вокруг корней,
где микроорганизмы особенно активны и тем самым
влияют на взаимодействие корней с почвой.
Способность некоторых растений, таких, как люпины,
получать гораздо больше фосфора, чем получают
другие виды, растущие в той же почве, может на первый
взгляд заставить думать, что они могут извлекать
больше нерастворимого фосфора. Однако это, по-видимому,
не так, потому что опыты с почвой, меченной 32Р
[66,67], показали, что различные виды растений
поглощают фосфаты из одного и того же источника и
разница в общем поглощении фосфора обусловлена тем,
что некоторые виды извлекают больше из запаса
подвижного фосфора, чем за счет растворения большего
количества нерастворимых фосфатов. Отношение 32Р/31Р
было одинаковым для различных видов, тогда как оно
должно было быть меньшим у любых видов, способных
использовать какую-то часть иначе меченого
нерастворимого фосфора.
Внесение фосфорных удобрений в почву нарушает
равновесие, обсуждавшееся выше, и поддерживает
высокую концентрацию растворимого фосфора вблизи
корней в течение длительных периодов. Тем не менее лишь
около 25% фосфора удобрений поглощается культурой
в год его внесения. Остальная часть накапливается в
7 Почвенная микробиология
97
почве как «остаточный фосфор», достигая 40% от
общего содержания фосфора в пахотных почвах Англии
[32], и остается более доступным культурам,
выращиваемым в последующие годы, а также, вероятно, и
микроорганизмам, чем природный нерастворимый фосфор.
В естественных экосистемах равновесие почвенного
фосфора нарушается весной во время энергичного
разложения подстилки.
4.4. МЕХАНИЗМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФОСФОРНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ МИКРООРГАНИЗМАМИ
Литература по этому вопросу обширна, поэтому в
данном очерке о четырех общепризнанных, связанных
с этим процессах будут приведены лишь немногие
ссылки.
РАСТВОРЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ФОСФАТОВ
Органические кислоты. Основной способ, которым
микроорганизмы растворяют нерастворимые фосфаты,
взвешенные в виде мелких частичек в агаровой среде,
это путь выделения таких органических кислот, как
молочная, гликолевая, щавелевая и лимонная. Вокруг
колоний микробов образуются прозрачные зоны. Этот
метод, использованный почти 70 лет назад для выявления
и выделения из почвы бактерий, растворяющих фосфаты
[73], подробно описан Лувом и Уэбли [52] и зависит
от метаболизма субстрата, такого, как глюкоза.
Бактерии и грибы в таких культурах могут растворять
достаточно фосфата, например, из Са3(Р04)2 для своего
собственного роста и освобождать избыточные ионы орто-
фосфата. Оксикислоты лучше других кислот растворяют
апатит [84], предположительно потому, что они
образуют хелаты с кальцием в дополнение к снижению рН.
Некоторые бактерии образуют 2-кетоглюконовую кислоту
[26], которая также образует хелаты с кальцием,
восстанавливая, таким образом, химическое равновесие, и
это уравновешивается одновременным переходом ионов
фосфата в раствор, что приводит к увеличению
содержания ортофосфата в растворе. Дальнейшим
доказательством, что хелатообразование может быть более
важным, чем простое влияние рН, заключается в том,
98
что щавелевая кислота растворяет больше фосфатов
при рН 4,4, чем глюконовая кислота при рН 4,3 [56].
Минеральные кислоты. В особом случае хемоавто-
трофных бактерий, способных окислять аммоний или
серу, образуются азотная или серная кислоты. Эти
кислоты могут освобождать ионы ортофосфата из
фосфоритов.
Двуокись углерода. Микроорганизмы могут
понижать рН вокруг себя, выделяя СОг в процессе дыхания,
и тем самым способствуют растворению больших
количеств фосфатов.
Сероводород. Определенные бактерии выделяют H2S,
который может реагировать с трехвалентным фосфатом
железа с образованием сульфида железа и ионов
растворимого ортофосфата [79].
Гуминовые вещества. «Гуминовая кислота» и «фуль-
вокислота» из разлагаемых микробами растительных
остатков могут образовывать хелаты с кальцием,
железом или алюминием в сложных фосфатах, освобождая
таким образом ортофосфат. Они также могут
образовывать устойчивые растворимые комплексы с железом
или алюминием, которые доступны корням
растений [56].
МИНЕРАЛИЗАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ФОСФОРА
Фитазы. Фитазы гидролизуют связи сложных
фосфорных эфиров в растворимых солях фитиновой
кислоты с образованием инозита и ортофосфата. Когда Гриве
и Уэбли [37] добавляли мио-инозит-гексафосфат натрия
к песку, содержавшему почвенные микроорганизмы,
72% фосфора субстрата освобождалось при рН 6,8.
Однако менее растворимая соль кальция и
труднорастворимые соли магния, железа и алюминия в тех же
условиях освобождали только соответственно 2,6; 3,0 и
0,3%. Aerobacter aerogenes гидролизовал мио-инозит-
полифосфат поэтапно с образованием ряда
промежуточных полифосфатов, но был неактивен против scyllo-
изомера [34].
Нуклеазы. Нуклеиновые кислоты разлагаются
быстро. Например, Cytophaga johnsonii освобождала смесь
нуклеотидов через 24 ч и много ортофосфата на
протяжении 10 дней из РНК и ДНК в водной
культуре [35].
7*
99
Фосфолипазы. Наиболее обычные фосфолипиды
почвы, такие, как лецитин (фосфатидил холин) и фосфа-
тидил этаноламин, освобождают ортофосфат в
результате ферментативного гидролиза.
Органические кислоты. Органические фосфаты могут
растворяться бактериальными органическими кислотами,
после чего свободный фосфат может иногда быть
получен путем гидролиза [10].
ИММОБИЛИЗАЦИЯ
Включение растворимого фосфора в растущие
микробные клетки обозначается как иммобилизация. В
водных культурах микроорганизмы могут уменьшить
перемещение фосфора к верхней части растений при низком
(менее 1 мкг/л), но не при высоком содержании
(10 мкг/л) фосфора путем включения растворимого
фосфора в свои собственные клетки, особенно в
нуклеиновые кислоты [8,9]. Этот временно
иммобилизованный фосфор освобождается, когда клетка отмирает, и
может тогда стать вновь доступным для растений.
Фактически растения, растущие в песке, содержащем
фосфорит, поглощали гораздо больше фосфора из
мертвых бактерий в этом субстрате, чем из исходного
фосфорита [87].
Бактерии и актиномицеты накапливают больше
фосфора (1,5—2,5% от их сухого веса), чем грибы
(0,5—1,0%) или растения (0,05—0,5%).
ОКИСЛЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ МИНЕРАЛЬНОГО
ФОСФОРА
Ортофосфат это наиболее окисленная форма
фосфора. Некоторые гетеротрофные микроорганизмы могут
ассимилировать фосфит, НРОз2- [2], и превращать его
в фосфат. Напротив, Clostridium butyricum может
превращать фосфат в фосфит и гипофосфит в очень
влажных почвах [89]. Адаме и Конрад [1] высказывали
предположение о микробном превращении фосфита в
фосфат в почве.
Эти реакции окисления-восстановления не очень
важны в почвэ и не будут обсуждаться подробнее.
100
4.5. РАСТВОРЕНИЕ, МИНЕРАЛИЗАЦИЯ
И ИММОБИЛИЗАЦИЯ ФОСФОРА
МИКРООРГАНИЗМАМИ В ПОЧВЕ
Блаженное времяпровождение микроба в чашке
Петри не имеет ничего общего с тревожными событиями,
переживаемыми им в почве. В чистой культуре
нормально имеется обилие субстрата, оптимальная
температура, нет антагонизма со стороны других микробов
и никакой адсорбции глинистыми частицами, тогда как
в почве большая часть микробной популяции вынуждена
переходить в состояние покоя. Появление кусочка
субстрата в почве вызывает бурную активность в
микрообитании вокруг него, продолжающуюся лишь до тех
пор, пока он не будет полностью использован. В этом
контексте следует вспомнить о механизме, описанном в
разделе 4.4, поскольку наличие субстрата будет в
общем определять, где и каким образом почвенные
микроорганизмы увеличат или истощат запасы подвижного
фосфора до какой-то степени, которая может усиливать
или подавлять поглощение фосфора растениями.
РАСТВОРЕНИЕ
Многие обычные микроорганизмы, включая виды
Pseudomonas, Achromobacter, Flavobacterium, Strepto-
rnyces и особенно Aspergillus и Arhtrobacter, могут
растворять нерастворимые минеральные фосфаты,
встречающиеся в почве [2, 80, 84, 86]. Большая доля всей
микробной популяции обладает этой способностью — до
85% в некоторых почвах [49], хотя многие утрачивают
ее в субкультурах. Ризосфера иногда обладает
особенно большой долей таких организмов. Свейби и Спербер
[84], например, обнаружили, что 20—40% бактерий, ак-
тиномицетов и грибов, выделенных из ризосфер многих
растений, были способны растворять оксиапатит по
сравнению с 10—15% бактерий из почвы вне
ризосферы. Иногда не было никакого предпочтительного
стимулирования корнями бактерий, растворяющих
фосфаты [46].
Растворение необходимо рассматривать в пределах
ризосферы, потому что за пределами этой зоны, совпа-:
дающей с зоной истощения фосфора, растворение будет
оказывать мало влияния на растущий корень вследствие
101
медленности диффузии ионов фосфора в почве (см.
раздел 4.3). Экссудаты корней и отслоившиеся клетки
обеспечивают субстрат для поддержания интенсивной
микробной деятельности, характерной для ризосферы.
Таким образом, колонии бактерий могли бы растворять
фосфаты в местах экссудации вдоль корня, образуя
органические кислоты и двуокись углерода —
соединения, выделяемые также самими корнями. Органические
кислоты в экссудатах корней могут также
адсорбироваться глинистыми минералами, тем самым снижая
число участков, способных адсорбировать фосфор, и этим
удерживая больше ионов фосфата в растворе [64]. Этот
механизм может быть хорошо приложим также и к
почвенным микроорганизмам. Однако количество
органических кислот, поступающих из корней, может быть
настолько большим по сравнению с выделениями
микроорганизмов, что они будут маскировать влияние
микроорганизмов на рН и адсорбцию.
Другой механизм, применимый к корням и,
возможно, истинно микробный,— это поглощение ионов
кальция, вызывающее сдвиг равновесия действующих масс
плохо растворимых фосфатов кальция с тем, чтобы в
раствор поступало больше кальция и, таким образом,
ионов фосфата. Джонстон и Ольсен [45] выращивали
растения с различной поглотительной способностью в
питательных растворах и вычислили, что адсорбция
кальция и (или) поглощение его корнями объясняли
использование 75% или больше фосфора, введенного в
раствор, тогда как выделение СОг, хелатов или кислот
корнями оказывало лишь незначительное действие.
Такой процесс растворения шел бы более успешно при
тесном контакте с поверхностями минеральных частиц,
и это легче достигается бактериальными клетками и
гифами грибов благодаря их малому размеру, чем
корнями растений. Грибы действительно получают больше
фосфора, когда их гифы находятся в контакте с
частицами мелко размолотых минералов, чем когда этот
контакт разорван бумажным диском между ними [34].
Даже несмотря на то, что ортофосфат можно
перевести в лабильный фонд органическими кислотами или
поглощением кальция в ризосфере, здесь происходит
такая энергичная конкуренция за субстрат (экссудат
корней) со стороны микроорганизмов ризосферы, что их
рост и потребность в фосфоре заставляют их эффектив-
102
но конкурировать с корнями за-любой освобождаемый
фосфор, и, таким образом, корни могут не получать
всего, что им нужно.
Способность Thiobacillus spp. окислять серу до серной
кислоты используется в производственных условиях в
процессе Липмана. Здесь приготовляется смесь почвы,
навоза, элементарной серы и фосфоритной муки, и
кислота, вырабатываемая бактериями, растворяет фосфат.
Однако этот процесс не так дешев или не так
эффективен, как использование стандартных фосфорных
удобрений, исключая, возможно, теплые влажные почвы.
В анаэробных условиях в переувлажненных почвах
многие бактерии образуют сероводород, который может
увеличить доступность фосфатов железа, превращая их
в черные сульфиты железа и освобождая фосфорную
кислоту. Этим может объясняться большая доступность
фосфора на затопляемых рисовых полях.
Хорошим доказательством способности свободножи-
вущих микроорганизмов растворять фосфат в почве в
достаточных количествах, чтобы от этого выигрывали
растения, служат результаты опытов, в которых
внесение соломы в почву усиливало поглощение фосфора как
из внесенных нерастворимых солей, так и из
слаборастворимого природного почвенного фосфора [56].
Разлагаемая микробами солома освобождает «гуминовую»
кислоту и «фульвокислоту», образующие стойкие
комплексы с железом и фосфором, которые так же
доступны растениям, как и ионы ортофосфата.
Хотя растворение минеральных фосфатов микробами
может не происходить в больших масштабах в
большинстве почв, существуют определенные почвенные
типы, где это более вероятно [84]: 1) кислые песчаные
почвы для кислотоустойчивых растений, например
люпинов; 2) старые пастбища, где микроорганизмы и
гумус изобилуют, и 3) легкие сырые почвы, бедные
полуторными окислами, но богатые сульфатами и
органическим веществом. Кроме того, весьма вероятно, что
почвенные микробы смогут освобождать больше фосфора
из внесенной фосфоритной муки или адсорбированного
остаточного фосфора удобрений, чем из более прочно
связанного природного фосфата.
Здесь следует кратко упомянуть об инокуляции
растений бактериями, растворяющими фосфаты, для
получения прибавок урожая в полевых условиях. Сооб-
103
щалось, что эти так называемые «бактериальные
удобрения» или «фосфобактерин» увеличивают урожаи
культур в Советском Союзе [23, 57] и в Испании [5],
но не в США [78]. Отсутствие отзывчивости в
последнем случае собственно неудивительно, потому что
бактерии, растворяющие фосфаты, широко распространены
в большинстве почв. Браун [18] в ее обзоре о
заражении корней и семян бактериями высказала
предположение, что какая-либо стимуляция роста растений путем
инокуляции семян бактериями бывает, вероятнее всего,
обусловлена ростовым гормоном, образуемым
бактериями, чем существенным растворением фосфатов.
Усиленное поглощение фосфора растениями, инокулированными
почвенными микроорганизмами, было ясно
продемонстрировано на песке, куда вносили малорастворимые
минеральные фосфаты и питательный раствор с
исключением фосфора [31]. Однако тот же процесс не
обязательно происходит в почве. Кроме того, внешний вид
растений, в частности их длинные междоузлия,
подсказывает мысль о стимуляции роста бактериальными
гормонами [18], что само по себе могло вызвать
большее поглощение фосфора.
МИНЕРАЛИЗАЦИЯ
Некоторые виды, такие, как Bacillus megaterium,
могут освобождать ортофосфат как из органических,
так и из минеральных фосфатов. Многие почвенные
микроорганизмы могут минерализовать сложные
органические фосфаты, в частности, виды из родов: Arthrobacter,
Proteus, Serratia, Streptomyces, Aspergillus и Rhizopus.
Большой процент почвенной микропопуляции обладает
этой способностью—до 70—80% в крайних случаях
[49], но чуть меньше 50% —это более типичный пример
[33]. В систематическом обзоре организмов,
разлагающих органические фосфаты и обитающих на корнях
злаковых трав, в ризосфере и в почве, где нет ризосферы,
Гриве и Уэбли [36] установили, что около 70% этих
организмов образовывали фосфатазы, гидролизующие
фенолфталеин-фосфат, и около 40, 20, 40, 40 и 30%
образовывали соответственно глицерофосфатазу, лецитиназу,
фитазу, рибонуклеазу и дезоксирибонуклеазу.
Предпочтительное стимулирование продуцентов фосфатазы не
было частым, главным образом при цветении.
104
Хотя у многих организмов можно обнаружить
активность фитазы в лабораторных условиях, большая часть
фитатов в почве находится не в растворе, а в полуто-
раокисных гелях железа и алюминия или
адсорбирована глинистыми минералами, где она недоступна для
ферментов. Как следствие фитат накапливается в почве
и составляет гораздо большую долю почвенного
органического фосфора, чем органического фосфора в
остатках, поступающих в почву. Например, хотя фитат
натрия легко гидролизуется в песке почвенными
микроорганизмами (см. стр. 99), добавление почвы или
глинистых минералов подавляет гидролиз [37]. При
внесении алюминиевого монтмориллонита, по-видимому,
происходит и адсорбция, и инактивация фермента, тогда
как натриевый монтмориллонит только адсорбирует
фермент.
Микробное разложение нуклеиновых кислот в почве
должно происходить гораздо быстрее, чем распад
фитатов, потому что менее 3% почвенного органического
фосфора — это нуклеиновая кислота — остаток от почти
10%-ного ее содержания в органических остатках,
поступающих в почву. ДНК, которая сохраняется, видимо,
микробного происхождения, и ее количество, вероятно,
больше, чем может быть объяснено ее содержанием в
бактериальных клетках, имеющихся в почве [4]. Какая-
то часть нуклеиновой кислоты должна быть защищена
от действия микробных нуклеаз, возможно, путем
адсорбции глинистыми минералами, подобными
монтмориллониту [38].
Образование фосфатаз самими корнями важно для
питания растений в почве [91], и оно, вероятно, более
важно, чем образование фосфатазы организмами
ризосферы. Так, например, Эстерманн и Мак-Ларен [28]
установили, что нестерильные корни ячменя
освобождали лишь немного больше ортофосфата из р-глицерин-
фосфата, чем стерильные корни. Точно так же Ридж и
Ровира [68] определяли активность фосфатазы корней
пшеницы в стерильных и нестерильных условиях и
пришли к выводу, что большая часть активности фермента
была связана с поверхностью корня и ненамного
усиливалась микроорганизмами ризопланы. Инокуляция
корней чистыми культурами бактерий и одного гриба,
определенно обладающего активностью фосфатазы, не
увеличивала активности корней. Когда Мартин [53] обеспе-
10£
чивал растения пшеницы, растущие в питательном
растворе или в почве, меченным 32Р инозитгексафосфатом
в концентрациях, считающихся типичными для
почвенного раствора (0,2 мг Р в 1 л), он обнаружил, что
включение 32Р в растение, обусловленное активностью
фермента, не увеличивалось инокуляцией бактериями,
образующими фитазу, или смешанной микрофлорой
ризосферы.
Общее впечатление от обширной литературы по
этому вопросу сводится к тому, что минерализация
микроорганизмами органического фосфора в почве, особенно
некоторых его соединений, широко распространена.
Однако, за исключением случаев, когда микроорганизмы
имеют идеальные условия, как, например, в листовой
подстилке весной, освобождение ими растворимого
фосфора сверх собственной потребности в нем, вероятно,
лишь незначительно улучшает фосфорное питание
растений.
ИММОБИЛИЗАЦИЯ
Почвенные микроорганизмы конкурируют с корнями
за фосфор лабильного фонда. В нормальной
обрабатываемой почве только бактерии, согласно расчетам,
поглощают и, таким образом, иммобилизуют 4—10 кг
фосфора на 1 га [76]. Если прибавить к этому поглощение
грибами и актиномицетами, то можно думать, что
микроорганизмы удаляют по крайней мере столько же
фосфора с 1 га, как и культуры (см. раздел 4.1). Фосфор,
связанный в микробных клетках, освобождается после
их отмирания. Перехватывают ли другие
микроорганизмы большую часть этого освобождаемого фосфора в
почве, поддерживая, таким образом, «мини-круговорот»,
который почти полностью минует корни, или же корни
выигрывают от этого, как в песке [87],— эти вопросы
требуют дальнейшего исследования.
Во время разложения растительных остатков в почве
наблюдается увеличение популяции микроорганизмов и,
следовательно, возрастает также потребность в
фосфоре. Если отношение С : Р в остатках большое, то
микроорганизмы могут потреблять подвижный фосфор в такой
степени, что урожай культур, растущих в такой почве,
будет снижен, если они не получат компенсации в
форме минеральных удобрений. В разлагаемом
органическом веществе критическое содержание фосфора состав-
106
ляет около 0,2% [3]; выше и нцже него будет
происходить соответственно чистая минерализация или
иммобилизация.
Результаты вегетационных опытов [61] показывают,
что деятельность микроорганизмов может истощить
запасы подвижного фосфора в лесной почве. Фосфор в
растениях, имеющих микоризу и выращиваемых в этой
почве, меченной 32Р, обладал такой же удельной
активностью вне зависимости от того, была ли почва
стерилизована или нет.
Если бы местная популяция микроорганизмов
мобилизовала значительные количества немеченого
органического фосфора, поглощалось бы относительно больше
31Р, чем 32Р из нестерильной почвы. Кроме того,
растения в стерильной почве поглощали в 2 или 3 раза
больше фосфора. Это указывает не только на влияние
патогенных организмов или корневых ингибиторов в
нестерильной почве, но также и на недостаток
доступного фосфора, обусловленный конкуренцией корней
растений и местной микробной популяции за один и тот
же запас подвижного фосфора.
4.6. ВЛИЯНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ
НА КОРНИ РАСТЕНИЙ
Микроорганизмы воздействуют на морфологию
корней. Боуэн и Ровира [17] наблюдали, например, в
песчаных культурах 25—40%-ное подавление
микроорганизмами роста корней клевера подземного, томатов,
канареечника (Phalaris) и сосны лучистой (Pinus radiata)
и 25—53%-ное сокращение общего числа боковых
корней, а также подавление роста корневых волосков и
развития клевера подземного на агаре. Эти влияния
должны иметь большое значение в почве, где на объем
используемой почвы воздействует рост самих корней и
рост корневых волосков, что увеличивает зону,
обедненную фосфором.
На метаболизм растений и, следовательно, на
поглощение фосфора микроорганизмы могут влиять
непосредственно. Это отчасти объясняет перемещение в 4,4 раза
большего количества 32Р в надземные части проростков
томатов в водных культурах в нестерильных условиях
по сравнению со стерильными [16]. Поскольку 32Р
достигал верхушек растений за 20 мин, усилившееся по-
107
глощение нельзя было приписать только поглощению
микрофлорной ризопланы. О возможности влияния
бактериальных гормонов на поглощение растениями
фосфора упоминалось раньше (стр. 104).
4.7. МИКОРИЗА
Микоризные грибы [40], как симбиотические
организмы, располагают экологической нишей с обилием
субстрата внутри корней растений, откуда их гифы
прорастают в почву. Растения, лишенные микоризы,
которые нечасто встречаются в целинных или
обрабатываемых почвах, как правило, поглощают гораздо меньше
фосфора из почвы, бедной подвижным фосфором, чем
растения с микоризой.
ЭКТОТРОФНАЯ МИКОРИЗА
Эктотрофные (или экто-микоризные) грибы связаны
<с корнями многих видов деревьев. Морфологические
изменения в корнях, вызываемые микоризным
заражением, могут увеличить поглощение фосфора, способствуя
контакту корней с большим объемом почвы. Это
становится очевидным, когда усиливается рост корней и
поглощающие тонкие корни начинают ветвиться,—
процессы, в которых участвуют ауксины [77].
Увеличенный диаметр поглощающих корней благодаря грибному
чехлу и радиально удлиненным клеткам эпидермиса
может также увеличить количество доступного
растворимого фосфора, но только на 10% или меньше в зоне
вокруг корней шириной 1 мм, обедненной фосфором,—
это получено на основании расчетов на площади
размером 1,5Хямм2 вокруг зараженного микоризой корешка
с предполагаемым диаметром 500 мкм по сравнению с
1,4Хямм2 вокруг незараженного корешка диаметром
400 мкм.
Свободные гифы, отходящие от чехла, используют
почву за пределами обедненной фосфором зоны и
обильно ветвятся в богатом фосфором гумусе, сильно
увеличивая этим площадь поглощающей поверхности,
соприкасающейся с запасами подвижного фосфора. Гифы
микоризы могут переносить фосфор из внешнего
источника (меченного 32Р) к растению-хозяину, где он
передов
мещается в надземные части [5J5]. Стоун [82]
установил обширное развитие наружного мицелия, связанное
с поглощением проростком фосфора, который, вероятно,
поступал через грибной мицелий, а не из подвижного
фосфора, освобождаемого грибом в почву. То, что
микоризные грибы скорее истощают, а не пополняют запас
подвижного фосфора, явствует из меньшего поглоще*
ния фосфора суданской травой, выращиваемой с
сеянцами сосны лучистой, зараженными микоризой, по
сравнению с поглощением фосфора суданской травой в
вариантах, где сеянцы сосны не имели микоризы.
Физиологические факторы включают усиленное
поглощение и накопление фосфора, долговечность корней
и образование ферментов. Харли и Мак-Криди [41]
препарировали микоризы бука и показали, что грибной
чехол более активно поглощал фосфор, чем корни
хозяина. Это было бы большим преимуществом в острой
конкуренции за фосфор с почвенными организмами.
Грибной чехол может накапливать фосфор, который в
последующем освобождается для растения-хозяина в
условиях недостатка фосфора — полезный экологический
качественный признак, потому что в природных
условиях бывают периоды притока фосфора. Корни
функционируют дольше, если они заражены микоризой [17], и,
таким образом, могут продолжать использовать
небольшие количества фосфора, очень медленно
диффундирующего в обедненную им зону. Значительная активность
фосфатазы была продемонстрирована у
препарированной микоризы бука [11], и некоторые микоризные
грибы в культуре образуют много фитазы [88].
Происходит ли такое ферментное действие в природе в
масштабах, достаточно больших, чтобы заметно увеличить
запас подвижного фосфора, требует дальнейшего
исследования. Кроме того, виды микориз обладают
неодинаковой способностью использовать фосфаты с различной
доступностью [54].
ВЕЗИКУЛЯРНО-АРБУСКУЛЯРНАЯ МИКОРИЗА
Везикулярно-арбускулярные (ВА) микоризные
грибы— это виды из рода Endogone, заражающие
растения большинства семейств, изученных до настоящего
времени, включая имеющих наибольшее
сельскохозяйственное значение,— злаки и бобовые [30, 40, 59, 65].
109
Во многих бедных фосфором почвах (см. табл. 3)
инокуляция растений видами Endogone в несколько раз
увеличивает поглощение фосфора, что сравнимо с
влиянием внесения больших количеств монокальцийфосфата
[43, 59]. Очевидное объяснение заключается в том, что
микоризные растения могут использовать формы
почвенного фосфора, которые недоступны растениям, не
имеющим микоризы, тем самым замыкая накоротко
круговорот фосфора. Фактически прежние опыты
[25, 63] показали, что растения выигрывают от ВА-ми-
коризы в присутствии сравнительно нерастворимых
фосфатов, таких, как костяная и фосфоритная мука, что
позволяет предполагать их растворение ВА-грибами.
Единственный способ получения прямых
доказательств растворения заключается в мечении лабильного
фосфора в ряде почв и определении отношения 32Р к
31Р, поглощаемых растениями, имеющими и не
имеющими ВА-микоризу. Это отношение будет ниже у растений,
зараженных микоризой, если они способны получать
какое-то количество фосфора из нерастворимых, слабее
меченых источников. В соответствии с этим Хеймен и
Моссе [44] выращивали лук с микоризой и без нее в
восьми различных почвах, меченных 32Р. Однако они
установили, что, хотя количества фосфора,
поглощенного растениями, сильно колебались в разных почвах,
величина отношения 32Р/31Р в растениях с микоризой и без
нее в любой из почв была всегда одинаковой и
соответствовала их отношению в почвенном растворе. Эти
результаты свидетельствуют о более эффективном
поглощении лабильного фосфора растениями с микоризой, а
не о растворении. Росс и Джиллием [71],определявшие
урожаи сои в почвах, обеспеченных различными
формами фосфора, а также и степень истощения различных
фракций фосфора, пришли к такому же заключению, а
именно, что основная форма фосфора, использованная
микоризными растениями,— это форма, наиболее
доступная растениям, вне зависимости от того, имеют они
микоризу или нет. Хеймен и Моссе приписывали
полученные ими результаты способности микоризных гиф
прорастать за пределы зоны, обедненной фосфором, туда,
где они могут найти больше растворимого почвенного
фосфора.
Почва, в которой была обнаружена наибольшая
разница в процентном содержании фосфора между растени-
110
ями с микоризой [44] и без нее-, была более тщательно
изучена Сандерсом и Тинкером [74]. Они также
установили одинаковую удельную активность фосфора в
растениях с микоризой и без нее и в почвенном растворе.
Они вычислили, что теоретически максимальный приток
путем диффузии должен составлять ЗХЮ~14М (на
1 см корня) в 1 с, что соответствует измеренным
величинам 1,6—6ХЮ"14 для растений без микоризы, но не
13—22ХЮ-14 для растений с микоризой. В последующем
те же исследователи [75] взвешивали мицелий Endo-
gone, образовавшийся вокруг корней, и высчитали, что
его достаточно для объяснения наблюдавшейся
разницы в притоке между корнями с микоризой и без
нее. Исходя из подсчета точек поступления и
диаметров гиф, они сочли, что большая часть вычисленного
притока фосфора, равного 3,8ХЮ~8 М/см2/с, вероятно,
обусловлена массовым (цитоплазматическим) потоком
через гифы, но это должно быть измерено
экспериментально. Билески [14] вычислил, что 1 мм микоризного
корня, связанный с почвой четырьмя гифами, каждая
диаметром 25 мкм и длиной 20 мм будет поглощать в
60 раз больше фосфора, чем такой же отрезок незара-
женного корня, если диффузия лимитируется, и в 10 раз
больше, чем если бы поглощение было
пропорционально площади поверхности. Недавно было доказано [42],
что гифы ВА-микоризы способны перемещать 32Р по
меньшей мере сквозь 15 мм почвы в зараженный
корень. Это прямое доказательство, что переплетение
мицелия вокруг корней, зараженных ВА-микоризой, может
расширить область извлечения фосфора довольно
далеко за пределы обедненной им зоны.
Пучки гиф, прорастающие в почву из микоризных
корней, несколько сходны с корневыми волосками, и
Бейлис [12] высказал предположение, что фактическое
отсутствие корневых волосков у таких растений, как
Coprosma robusta, может объяснять их большую
зависимость от микоризы для поглощения фосфора в
почвах с недостатком фосфора, если эти растения не
получают растворимых форм фосфора. Другие растения со
слабым развитием корневых волосков, такие, как лук
[43] и лимон [48], также сильно выигрывают от
ВА-микоризы. Плохой рост сеянцев лимона в почвах
питомников после фумигации в Калифорнии и Флориде
был приписан уничтожению ростков мицелия фумиган-
111
том [48]: задержанные в росте растения после
инокуляции их Endogone росли нормально.
Некоторые растения с обширным развитием
корневых волосков тем не менее выигрывают от ВА-микори-
зы, например Paspalum notation [62], томат [65] и
пшеница [47]. Это позволяет думать, что причина не
только в просто физическом влиянии использования
гифами большего объема почвы. ВА-микоризы
действительно могут накапливать больше фосфора, чем неза-
раженные корни [32]. Когда была проведена попытка
[62] обеспечить наиболее подходящие условия для
растворения, в почвах (меченных 32Р), крайне бедных
фосфором, было получено два несколько неожиданных
результата. Во-первых, зараженные и не зараженные
микоризой растения Melinis minutiflora поглощали фосфор
с одной и той же удельной активностью, что
указывает на отсутствие растворения даже в условиях
крайнего фосфорного голодания. Во-вторых, Paspalum nota-
tum и Centrosema pubescens совсем не поглощали
фосфора, если они не имели микоризы. Последний результат
свидетельствует, что корни, зараженные ВА-мико-
ризой, или гифы Endogone не имеют порогового
значения, ниже которого они не могут поглощать почвенный
фосфор, или что этот порог ниже порога для корней без
микоризы. Эта потенциальная способность истощать
почвенный раствор до концентраций ниже доступных для
корней свидетельствует о большом преимуществе для
растений с микоризой, растущих в условиях, при
которых корни растут настолько близко друг к другу, как
в лесах и пастбищах, что зоны истощения
перекрываются. Повышенная жадность микоризных гиф в
отношении растворимого фосфора обеспечивает лучшее
поглощение в конкуренции с другими грибными гифами и с
бактериями. Различия в пороговом значении
поглощения фосфора у разных растений — это еще один фактор,
делающий некоторые растения более зависимыми от
микоризы, чем другие.
ВЫВОДЫ
Поскольку растения никогда не растут в
обрабатываемых или необрабатываемых почвах без богатой
популяции микроорганизмов вокруг их корней, нереально
определять поглощение растениями почвенного фосфо-
112
pa, не учитывая деятельности^ этих микроорганизмов.
Вредоносные микроорганизмы рассматриваются в
других работах и включают почвенных патогенов [7],
ингибиторов роста корней [17] и организмы,
конкурирующие с корнями за жизненно важные питательные
вещества. К полезным относятся организмы, выделяющие
ростовые вещества, переводящие ортофосфат в
почвенный раствор или непосредственно переносящие фосфор
в корни растений.
Безусловно, многие бактерии и грибы способны
растворять сложные минеральные и органические
почвенные фосфаты при подходящих для этого условиях.
В почве должно происходить два процесса, потому что
сложные молекулы, например фитаты, сначала должны
быть переведены в раствор, прежде чем ионы ортофос-
фата смогут быть отделены путем гидролиза.
Растворение сложных минеральных фосфатов («микробное
выветривание») может происходить только в
ограниченных участках, где достаточно энергетического субстрата.
Отмирание и автолиз временно увеличившейся
биомассы микроорганизмов освобождают какое-то количество
ортофосфата в почвенный раствор. Происходят ли эти
процессы в достаточном числе микроучастков и в
достаточно большом масштабе, чтобы принести пользу
растениям,— вопрос спорный, особенно поскольку другие
организмы и участки химической адсорбции также
соперничают за этот фосфор. Однако малый размер
бактериальных клеток и гиф грибов обеспечивает им более
тесный контакт, чем у корней, с поверхностями
нерастворимых фосфатов и, таким образом, более
эффективный перехват ионов, диссоциирующих на поверхности
этих частиц.
Следует поощрять исследования для выяснения,
обусловлен ли усилившийся рост растений, иногда
наблюдаемый после инокуляции семян бактериями,
минерализующими или растворяющими фосфаты, образованием
какого-либо дополнительного фосфата или
образованием веществ, стимулирующих рост. Эти исследования
должны также подтвердить, что популяции отобранных
бактерий, наносимые на семена, сохраняются в
образующейся ризосфере. Поиски «суперштаммов» с
хорошей способностью растворения и хорошими свойствами
для выживания необходимо продолжить. Дражирова-
ние семян с такими субстратами, как фосфоритная мука
8 Почвенная микробиология
па
в смеси с бактериями, может быть вполне
осуществимым.
Симбиотические микроорганизмы имеют огромное
преимущество перед свободноживущими благодаря своей
нише в корнях растений. Это обеспечивает микоризным
грибам гораздо лучшее положение, чем у растворяющих
фосфаты грибов и у бактерий, для увеличения
поглощения фосфора корнями растений. Их роль в
круговороте фосфора в природных экосистемах жизненно важна.
В растениеводстве инокуляция микоризными грибами
таких растений, как сеянцы лимона, которые особенно
зависят от микоризы в поглощении питательных
веществ, вполне может стать практической альтернативой
внесению больших количеств минеральных удобрений,
особенно там, где проводилась фумигация для устране-
нения патогенных организмов. Хорошо известен успех
инокуляции сеянцев сосны в странах, где сосны и,
следовательно, их микоризные симбионты не являются
местными растениями. Специфичность в степени
стимуляции хозяина [58] вызывает необходимость
выбирать оптимальные сочетания хозяина с штаммом гриба
для каждой конкретной почвы. Даже несмотря на то, что
ВА-микоризные грибы вездесущи, их селекционный
штамм может быть гораздо более полезным, чем
местные [60]. Пока Endogone не будет выращиваться в
чистых культурах, инокулюм можно производить в нужных
количествах в виде спор и зараженных корней от
растений, инокулированных на обработанных фумигантом
небольших полевых делянках.
Большее истощение растворимого фосфора
растениями с микоризными грибами не даст долговременных
преимуществ в сельском хозяйстве. Поэтому необходимо
изучать влияние микоризы на способность культурных
растений, особенно поглощающих мало фосфора,
использовать менее дорогостоящие вносимые в почву формы
фосфора, такие, как фосфоритная мука, а также
остаточный фосфор удобрений. Значение симбиоза Rhizobi-
ит в производстве бобовых культур хорошо известно.
Сейчас ему можно противопоставить значение
микоризного симбиоза на более широкой основе, потому что
большинство почв во всем мире содержит мало фосфора
и микоризное заражение — это норма для
большинства изученных до настоящего времени видов
растений.
114
Л ИТЕРАТУРА
1. A d a m s F., С о п г a d J. P. Transition of phosphine to phosphate
in soils, Soil Science, 75, 361—371 (1953).
2. Agnihotri V. P. Solubilisation of insoluble phosphates by some
soil fungi isolated form nursery seedbeds, Canadian J.
Microbiology, 16, 877—880 (1970).
3. Alexander M. Introduction to Soil Microbiology, 353—369,
Wiley, New York (1961).
4. Anderson G. Nucleic acids, derivatives and organic
phosphates, in Soil Biochemistry, Volume I (ed. by A. D. McLaren,
G. H. Peterson), 67—90, Arnold, London (1967).
5. A z с о n R., В a r e a J. M., С a 11 а о V. Inoculacion conjunta de
microorganismos movilizadores de fosforo у Rhizobium en cultivos
enarenados de judia. I. Efectos sobre la parte aerea de las plantas
en experiencia hasta floracion, Microbiologia Espanola, 26, 31—39
(1973).
6. Bagshaw R., Vaidyanathan L. V., Nye P. H. The supply
of nutrient ions by diffusion to plant roots in soil. V. Direct
determination of labile phosphate concentration gradients in a
sandy soil induced by plant uptake, Plant and Soil, 37, 617—626
(1972).
7. В а к е г К. F., Snyder W. C. (eds) Ecology of Soil-borne
Plant Pathogens. University of California Press, Berkeley (1965).
8. Barber D. A. Effect of micro-organisms on nutrient absorption
by plants, Nature, 212, 638—640 (1966).
9. В a r b e r D. A. Micro-organisms and the inorganic nutrition of
higher plants, Annual Review of Plant Physiology, 19, 71—88
(1968).
10. В area J. M., Ramos А., С a 11 а о V. Contribution al estu-
dio in vitro de la mineralization bacteriana de fosfatos,
Microbiologia Espanola, 23, 257—270 (1970).
11. Bartlett E. M., Lewis D. H. Surface phosphatase activity
of mycorrhizal roots of. beech, Soil Biology and Biochemistry, 5,
249—257 (1973).
12. В ay lis G. T. S. Root hairs and phycomycetous mycorrhizas in
phosphorus-deficient soil, Plant and Soil, 33, 713—716 (1970).
13. Bhat K. K. S., Nye P. H. Diffusion of phosphate to plant
rooths in soil. I. Quantitative autoradiography of the depletion
zone, Plant and Soil, 38, 161—175. (1973).
14. В i e I e s к i R. L. Phosphate pools, phosphate transport, and
phosphate availability, Annual Review of Plant Physiology, 24,
225—252 (1973).
15. Black C. A. Soil Plant Relationships. Wile>, New York (1968).
16. В о w e n G. D., R о v i r a A. D. Microbial factor in short-term
phosphate uptake studies with plant roots, Nature, 211, 665—666
(1966).
17. Bo wen G. D., Rovira A. D. The influence of micro-organisms
on growth and metabolisms of plant roots, in Root Growth:
Proceedings of 15th Easter School on Agricultural Science, Univ.
of Nottingham (ed. by W. J. Whittington). Butterworths, London
(1969).
18. Brown M. E. Seed and root bacterisation, Annual Review of
Phytopathology, 12, 311—331 (1974).
8*
115
19. Buckman H. О., Brady N. С. The Nature and Properties of
Soils. Macmillan, London (1969).
20. Chang S. C, J а с к s о n M. L. Fractionation of soil phosporus,
Soil Science, 84, 133—144 (1957).
21. Cole D. W., Gessel S. P., Dice S. D. Distribution and
cycling of nitrogen, phosphorus, potassium and calcium in a
second-growth. Douglas-fir ecosystem, in Symposium on Primary
Producitivity and Mineral Cycling in Natural Ecosystems (ed.
by H. E. Young). University of Maine Press, Orono (1967).
22. С о о к е С. W. The Control of Soil Fertility. Crosby Lockwood,
London (1967).
23. Cooper R. Bacterial fertilizers in the Soviet Union, Soils and
Fertilizers, 22, 327—333 (1959).
24. С о s g г о v e D. J. Metabolism of organic phosphates in soil, in
Soil Biochemistry, Volume I (ed. by A. D. McLaren and G. H.
Peterson). Edward Arnold, London (1967).
25. Daft M. J., N i с о 1 s о n T. H. Effect of Endogcne mycorrhiza
on plant growth, New Phytologist, 65, 343—350 (1966).
26. Duff R. В., Web ley D. M., Scott R. O. Solubilisation of
minerals and related materials by 2-ketogluconic acid-producing
bacteria, Soil Science, 95, 105—114 (1963).
27. Divigneaud P., Denaeyer-Desmet A. Biological cycling
of minerals in temperate deciduous forests in Analysis of
Temperate Forest Ecosystems (ed. by D. E. Reichle). Springer Verlag,
Heidelberg (1970).
28. E s t e r m a n n E„ McLaren A. D. Contribution of rhizoplane
organisms to the total capacity of plants to utilize organic
nutrients, Plant and Soil, 15, 243—260 (1961).
,29. F a r r E., V a i d у a n a t h a n L. V. The supply of nutrient ions
by diffusion to plant roots in soil. IV. Direct measurement of
changes in labile phosphate content in soil near absorbing roots,
Plant and Soil, 37, 609—616 (1972).
30. G e r d e m a n n J. W. Vesicular-arbuscular mycorrhiza and plant
growth, Annual Review of Phytopathology, 6, 397—418 (1968).
31. Gerretsen F. C, The influence of micro-organisms on the
phosphate intake by the plant, Plant and Soil, 1, 51—81 (1948).
32. Gray L E., Gerdemann J. W. Uptake of phosphorus-32 by
vesicular-arbuscular mycorrhizae, Plant and Soil, 30, 415—422
(1969).
33. Greaves S. R., Anderson C, W e b 1 ey D. M. A rapid
method of determining the phytase activity of soil
micro-organisms, Nature, 200, 1231—1232 (1963).
34. Greaves M. P., Anderson G., W e b 1 e у D. M. The
hydrolysis of inositol phosphates by Aerobacter aerogenes, Biochimica
Biophysica Acta, 132, 412—418 (1967).
35. Greaves M. P., Vaughan D., Webley D. M. The
degradation of nucleic acids by Cytophaga johnsonii, J. Applied
Bacteriology, 33, 380—389 (1970).
36. Greaves M. P., Webley D. M. A study of the breakdown
of organic phosphates by micro-organisms from the root region
of certain pasture grasses, /. Applied Bacteriology, 28, 454—465
(1965).
"37. Greaves M. P., Webley D. M. The hydrolysis of /ш/o-inositol
hexaphosphate by soil micro-organisms, Soil Biology and
Biochemistry, 1, 37—43 (1969).
116
38. G r e a v e s M. P., Wilson M. J^ The degradation of nucleic
acids and montmorillonite-nucleic-acid complexes by soil
microorganisms, Soil Biology and Biochemistry, 2, 257—268
(1970).
39. Halm B. J., Stewart J. W. В., H a 1 s t e a d R. L. The
phosphorus cycle in a native grassland ecosystem, in Isotopes and
Radiation in Soil-Plant Relationships including Forestry.
International Atomic Energy Agency, Vienna (1972).
40. H a r 1 e у J. L. The Biology of Mycorrhiza. Leonard Hill, London
(1969).
41. Harley J. L. McC ready С. С The uptake of phosphate by
excised mycorrhizal roots of the beech. III. The effect of the
fungal sheath on the availability of phosphorus to the core, New
Phytologist, 51, 342—348 (1952).
42. H a 11 i n g h M. J., Gray L. E., G e r d e m a n n J. W. Uptake
and translocation of 32P-labelled phospate to onion roots by endo-
mycorhizal fungi, Soil Science, 116, 383—387 (1973).
43. H а у m a n D. S., Mosse B. Plant growth responses to vesi-
cular-arbuscular mycorrhiza. I. Growth of Endogone-inoculated
plants in phosphate-deficient soils, New Phytologist, 70, 19—27
(1971).
44. H а у m a n D. S., Mosse B. Plant growth responses to vesicu-
lar-arbuscular mycorrhiza. III. Increased uptake of labile P from
soil, New Phytologist, 71, 41—47 (1972).
45. Johnston W. В., О 1 s e n R. A. Dissolution of fluorapatite by
plant roots, Soil Science, 114, 29—36 (1972).
46. К a t z n e 1 s о n H., В о s e B. Metabolic activity and phosphate-
dissolving capability of bacterial isolates from wheat roots, rhizo-
sphere, and non-rhizosphere soil, Canadian J. Microbiology, 5,
79—85 (1959).
47. Khan A. G. The effect of vesicular-arbuscular mycorrhizal
associations on growth of cereals. II. Effects on wheat growth, Annals
of Applied Biology (in press) (1975).
48. К1 e i n s с h m i d t G. D., G e r d e m a n n J. W. Stunting of
citrus seedlings in fumigated nursery soils related to the absence
of endomycorrhizae, Phytopathology, 62, 1447—1453 (1972).
49. К о b u s J. The distribution of micro-organisms mobilising
phosphorus in different soils, Acta Microbiologica Polonica, 11,
255—264 (1962).
50. L a r s e n S. Soil phosphorus, Advances in Agronomy, 19,
151—210 (1967).
51. Lewis D. G., Quirk J. P. Phosphate diffusion in soil and
uptake by plants III. P31 movement and uptake by plants as
indicated by P32-autoradiography, Plant and Soil, 26, 445—453
(1967).
52. Lou w H. A., Web ley D. M. A plate method for estimating the
numbers of phosphate dissolving and acid producing bacteria
in soil, Nature, 182, 1317—1318 (1958).
53. M a r t i n J. K. The influence of rhizosphere microflora on the
availability of 32P-m#a-inositol hexaphosphate phosphorus to wheat,
Soil Biology and Biochemistry, 5, 473—483 (1973).
54. M e j s t r i к V. К., К r a u s e H. H. Uptake of 32P by Pinus
radiata roots inoculated with Suiltus luteus and Cenoscccum gra-
niforme from different sources of available phosphate, New
Phytologist, 72, 137—140 (1973).
117
55. М е 1 i n E., N i 1 s s о n H. Transfer of radioactive phosphorus
to pine seedlings by means of mycorrhizal hyphae, Physiologia
Plantar um, 3, 88—92 (1950).
56. Ми шуст ин E. H. Processus microbiologiques mobilisant les
composes du phosphore dans le sol, Revue d'Ecologie et de Biolo-
gie du Sol, 9, 521—528 (1«972).
57. M и ш у с т и н Е. Н., Наумова А. М. Bacterial fertilizers,
their effectiveness and mode of action, Microbiology, 31, 442—452
(1962).
58. M о s s e B. The influence of soil type and Endogone strain on
the growth of mycorrhizal plants in phosphate deficient soils,
Revue d'Ecologie et de Biologie du Sol, 9, 529—537 (1972).
59. M о s s e B. Advances in the study of vesicular-arbuscular mycor-
rhiza, Annual Review of Phytopathology, 11, 171—196 (1973).
60. M о s s e В., Н а у m a n D. S. Plant growth responses to
vesicular-arbuscular mycorrhiza. II. In unsterilized field soils, New Phy-
tologist, 70, 29—34 (1971).
61. Mo s se В., Н ay m a n D. S. Mycorrhiza in Meathop Wood, in
Ecosystem Study of Meathop Wood (in press) (1974).
62. M о s s e В., Н а у m a n D. S., Arnold D. J. Plant growth
responses to vesicular-arbuscular mycorrhiza. V. Phosphate uptake
by three plant species from P-deficient soils labelled with 32P,
New Phytologist, 72, 809—815 (1973).
63. Murdoch С L, J а с к о b s J. A., G e r d e m a n n J. W.
Utilization of phosphorus sources of different availability by
mycorrhizal and non-mycorrhizal maize, Plant and Soil, 27,
329—334 (1967).
64. N a g a r a j a h S., P о s n e r A. M., Quirk J. P. Competitive
adsorption of phosphate with polygalacturonate and other organic
anions on kaolinite and oxide surfaces, Nature, 228, 83—85 (1970).
65. N i с о 1 s о п Т. Н. Vesicular-arbuscular mycorrhiza — a universal
plant symbiosis, Science Progress, Oxford, 55, 561—581 (1967).
66. N у e P. H., F о s t e r W. N. M. A study of the mechanism of
soil-phosphate uptake in relation to plant species, Plant and Soil,
9, 338—352 (1958).
67. P г о b e r t M. E. The dependence of isotopically exchangeable
phosphate (L-value) on phosphate uptake, Plant and Soil, 36,
141—148 (1972).
68. R i d g e E. H., R о v i r a A. D. Phosphatase activity of intact
young wheat roots under sterile and non-sterile conditions, New
Phytologist, 70, 1017—1026 (1971).
69. R о b e r t s о n R. A., D a v i e s G. E. Quantities of plant
nutrients in heather ecosystems, /. Applied Ecology, 2, 211—219
(1965).
70. R о r i s о n I. H. The response to phosphorus of some ecologically
distinct plant species. I. Growth rates and phosphorus absorption,
New Phytologist, 67, 913—923 (1968).
71. Ross J. P., Gilliam J. W. Effect of Endogone mycorrhiza on
phosphorus uptake by soybeans from inorganic phosphates, Proc.
SSSA, 37, 237—239 (1973).
72. Russell E. W. Soil Conditions and Plant Growth, 10th edition.
Longman, London (1973).
73. Sackett W. G., Patten A. J., Brown С W. The solvent
action of soil bacteria upon the insoluble phosphates of raw
bonemeal and natural raw rock phosphate, Zentralblatt fur Bakte-
118
riologie, Parasitenkunde und InfekUonskrankheiten (lite Abtei-
lung), 20, 688—703 (1908).
74. S a n d e г s F. E., Tinker P. B. Mechanism of absorption of
phosphate from soil by Endogone myoorrhizas, Nature, 233,
278—279 (1971).
75. Sanders F. E., Tinker P. B. Phosphate flow into mycorrhi-
zal roots, Pesticide Science, 4, 385—395 (1973).
76. S a u с h e 11 i V. Phosphates in Agriculture. Reinhold, New York;
Chapman and Hall, London (1965).
77. S1 a n к i s V. Formation of ectomycorrhizae of forest trees in
relation to light, carbohydrates and auxins, in Mycorrhizae.
Proceedings of the first North American Conference on Mycorrhizae,
April 1969: Misc. Publ., 1189, USDA, Forest Service (1971).
78. S m i t h J. H., A 11 i s о n F. E., S о u 1 i d e s D. A. Evaluation of
phosphobacterin as a soil inoculant, Proc. SSSA, 25, 109—111
(1961).
79. Sperber J. I. Solution of mineral phosphates by soil bacteria,
Nature, 180, 994—995 (1957).
80. S p e r b e r J. I. The incidence of apatite-solubilizing organisms
in the rhizosphere and soil, Australian J. Agricultural Research,
9, 778—787 (1958).
81. Stark N. Nutrient cycling, I. Nutrient distribution in some
Amazonian soils, Tropical Ecology, 12, 24—50 (1971).
82. S t о n e E. L. Some effects of mycorrhizae on the phosphorus
nutrition of Monterey pine seedlings, Proc. SSSA, 14, 340—345
(1949).
83. S u 11 о n CD., G u n a r у D. Phosphate equilibria in soil, in
Ecological Aspects of the Mineral Nutrition of Plants (ed. by
I. H. Rorison). Blackwell, Oxford (1969).
84. S w a b у R. J., S p e r b e r P. Phosphate dissolving micro-organisms
in the rhizosphere of legumes, in Nutrition of Legumes (ed. by
E. D. Hallsworth), 289—294. Butterworths, London (1959).
85. Switzer G. L., Nelson L. E. Nutrient accumulation and
cycling in Loblolly Pine (Pinus taeda L.) plantation ecosystems:
the first twenty years, Proc. SSSA, 36, 143—147 (1972).
86. Tardieux-Roche A. Contribution a l'etude des interactions
entre phosphates naturels et microflore du sol, Annates Agrono-
miques, 17, 403—479 (1966).
87. Tardieux-Roche A., Tardieux P. La biosynthese des
phosphates condenses par la microflore du sol et son role dans la
nutrition des vegetaux, Annates Agronomiques, 21, 305—314
(1970).
88. T h e о d о г о u С Inositol phosphates in needles of Pinus radiata
D. Don and the phytase activity of mycorrhizal fungi, Transactions
of the 9th International Congress of Soil Science, Volume III,
483—490 (1968).
89. Tsubota G. Phosphate reduction in the paddy field I, Soil and
Plant Food, 5, 10—15 (1959).
90. W i 1 d А., О к е О. L. Organic phosphate compounds in calcium
chloride extracts of soils; identification and availability to plants,
/. Soil Science, 17, 356—371 (1966).
91. Woolhouse H. W. Differences in the properties of the acid
phosphatases of plant roots and their significance in the evolution
of edaphic types, in Ecological Aspects of the Mineral Nutrition
of Plants (ed. by I. H. Rorison), Blackwell, Oxford (1969).
119
5
ВНЕКЛЕТОЧНЫЕ ПОЛИСАХАРИДЫ
ПОЧВЕННЫХ БАКТЕРИЙ
К. М. ХЕППЕР (Ch. M. HEPPER)
Бактериологи хорошо знакомы с капсулами,
окружающими многие бактерии. Эти капсулы, которые
можно наблюдать при негативном окрашивании тушью или
нигрозином [20], образуют четкий слой, куда лишь
медленно проникают частицы туши или нигрозин (рис. 20).
Многие бактерии синтезируют также внеклеточные
полисахариды, диффундирующие от клеток в жидкую
среду или образующие слизеподобный слой вокруг
организмов, растущих на поверхности агара. Дейнема и Це-
венхюзен [19] отметили обычное присутствие волоконец
целлюлозы во внеклеточных полисахаридах
бактерий, образующих хлопьевидный осадок в водных
культурах, включая виды Azotobacter, Pseudomonas, Rhizo-
Ыит и Agrobacterium. Эти авторы предположили, что
такие волоконца помогают удерживать полисахариды
вокруг групп клеток и что под воздействием
целлюлозы хлопьевидный осадок легко диспергируется. Обычно
капсулярные и внеклеточные полисахариды имеют
одинаковый состав, и высказывалось предположение, что
разница между бактериями, синтезирующими
растворимые полисахариды, и бактериями, образующими только
капсулу, заключается либо в отсутствии фермента,
который связывал бы полисахарид с оболочкой клетки, либо
в утрате специфических участков на оболочке клетки,
где полисахарид мог бы прикрепиться [66]. При
изучении биосинтеза этих полисахаридов выяснилось, что,
когда они состояли больше чем из одного сахара,
требовался ряд специфических ферментов. Эти ферменты
осуществляют образование и взаимопревращение Сахаров
нуклеотидов, перенос частей молекул Сахаров к липид-
ному носителю и последующую полимеризацию [66].
120
Рис. 20. Клетки видов Azotobacter, диспергированные в туши.
Несмотря на большое число исследований по
капсулам и внеклеточным полисахаридам, их функции
остаются неясными. Поскольку мутанты многих бактерий,
не образующие слизеподобного слоя, могут расти и
размножаться вполне успешно в лабораторных культурах,
эти полисахариды, видимо, не являются жизненно
важными компонентами. Капсулы некоторых бактерий
можно также удалить ферментативно без ущерба для их
жизнеспособности. Выдвигались различные гипотезы
для объяснения функций капсул и внеклеточных
полисахаридов и их значения для конкретного организма в
его нормальной среде.
Эти полисахариды сильно гидратированы и могут
защищать клетки в периоды недостатка воды. При таких
условиях вода в матрице полисахарида может быть
использована бактерией. Кроме того, полисахариды
гигроскопичны и могут способствовать медленному овод-
нению клетки после высыхания [72]. Высказывалось
121
также предположение, что полисахариды могут
защищать бактерии от простейших или бактериофагов. Это
предположение кажется маловероятным, однако,
поскольку во многих системах, включающих бактерии и
бактериофагов, вырабатывается специфическая деполи-
мераза [65], разлагающая полисахариды на
низкомолекулярные звенья, тем самым растворяя их и
предположительно облегчая прикрепление бактериофагов к
обнаженной оболочке клетки. Постгейт [53] предложил
новую функцию для полисахаридов у капсульных
бактерий, относящихся к свободноживущим азотфиксаторам.
Он предположил, что толстый слой слизи вокруг
колоний Derxia gummosa ограничивает диффузию
кислорода к клеткам, создавая этим благоприятные условия для
фиксации азота. Баруа и Сен [8] выявили корреляцию
между фиксацией азота и образованием полисахарида
у Beijerinckia, но один штамм Azotobacter vinelandii,
неспособный синтезировать полисахариды, фиксировал
азот при нормальной концентрации кислорода,
показывая, что такая защита не обязательна [10]. По меньшей
мере в одном случае было доказано, что бактериальный
внеклеточный полисахарид действует как запасной
источник углерода для организма. Культуры Beijerinckia
indica синтезировали полисахарид, произведя
максимальное количество после девяти дней роста; затем,
когда глюкоза была израсходована, продолжали расти
за счет своего внеклеточного полисахарида [43].
Однако этот организм не был способен использовать
полисахарид в качестве источника углерода после его
выделения и очистки, что, возможно, свидетельствует о каких-то
изменениях во время очистки.
Внеклеточные полисахариды, синтезируемые
бактериями, участвовали в заражении бобовых Rhizobium
[42]. Высказывалось предположение, что образование
полигалактуроназы потенциальным хозяином
вызывалось специфичными бактериальными полисахаридами.
Этот фермент затем облегчал внедрение Rhizobium в
корневые волоски растения, что совершенно необходимо
для установления симбиоза. Правда, данное
предположение не было подтверждено никакими
доказательствами, но остается возможность, что полисахарид это
специфичный «детерминант» в симбиозе, т. е. средство, с
помощью которого хозяин «распознает» бактерию,
поскольку известно, что взаимодействие полисахарид —
122
белок крайне специфично и часто зависит от
второстепенных составных частей Сахаров.
Значительное внимание уделялось составу капсул и
внеклеточных полисахаридов, синтезируемых
бактериями в культуре, и в последнее время было проведено
больше исследований структуры этих полимеров.
Важнейшее условие для изучения этих полисахаридов — это
абсолютная уверенность в том, что они гомогенны. Их
чистота должна быть проверена электрофоретически,
седиментационным анализом или хроматографией на
колонке, и пока это не сделано, все последующие анализы
или исследования структуры могут быть неточными.
Определение Сахаров сильно улучшилось применением
хроматографии на бумаге, хотя она не всегда
обеспечивает удовлетворительное разделение некоторых
Сахаров, обычно обнаруживаемых в бактериальных
полисахаридах и отличающихся только по конфигурации у
одного атома углерода. Более пригодные методы
качественного и количественного анализа — это газожидкостная
хроматография летучих производных Сахаров и
использование специфичных ферментативных испытаний,
которые позволят также различить оптические изомеры того
или иного сахара. Исследования структуры также
облегчились применением деполимераз, индуцируемых
фагами [67]. Возможно, что исследователи, не
пользующиеся этими методами, могли пропустить
второстепенные компоненты полисахаридов, т. к. часто не
выполняются анализы на наличие несахарных заместителей.
Нужно помнить об этих недостатках, рассматривая
результаты анализа внеклеточных полисахаридов.
Почвенные бактерии, выращиваемые в чистой
культуре, образуют гетерополисахариды, т. е. полимеры,
состоящие из ряда типов моносахаридов, в некоторых
случаях вместе с несахарными заместителями, или гомо-
полисахаридами, состоящими только из одного типа
сахарных остатков, обычно связанных таким же образом.
Любой из этих типов может быть нейтральными
полимерами или состоять из сахарных кислот и, кроме того,
из других органических кислот. Недавно было
установлено, что пировиноградная кислота входит в состав
некоторых бактериальных полисахаридов и, возможно,
чаще, чем полагали раньше. Во внеклеточных
полисахаридах, полученных из Xanthomonas campestris, пиру-
вильные группы были соединены концевыми атомами
123
через углерод кетона гидроксильными группами 4-го
и 6-го атомов углерода нейтральных остатков гексозы,
образуя дополнительные шестичленнные
гетероциклические кольца [60], и такого типа структура вполне
может быть обычной у других полисахаридов,
содержащих пируваты. Цевенхюзен [74] нашел доказательства,
что пируват может также быть присоединен к
молекулам глюкозы, имеющимся в цепи со связью (1->3).
О-ацетильные группы также обычно оказывались
прикрепленными к свободным гидроксилам полисахаридов.
Типичным примером кислых гетерополисахаридов
может служить хотя бы синтезируемый Arthrobacter
viscosus и состоящий из звеньев, включающих равные
доли D-маннуроновой кислоты, D-глюкозы и D-галакто-
зы, причем весь полимер был на 25% ацетилирован [38].
Ряд типов почвенных бактерий вырабатывает
полисахариды, содержащие аминосахара, иногда вместе с
уроновыми кислотами. Полисахарид, полученный из
Chromobacterium violaceum, состоит из глюкозы,
вероятно, глюкуроновой кислоты и одного аминосахара в
молярном соотношении 5:1:1 [17], а другой вид,
синтезирующий кислый капсульный полисахарид,
содержащий ряд аминосахаров, это Achromobacter georgiopoli-
tanum. Этот капсульный полисахарид состоит из 2-аце-
тамид-2-дезокси-0-глюкуроновой кислоты, 2-ацетамид-2-
дезоксиглюкозамина и 2-ацетамид«2,6-дидезокси-Б-глю-
козамина в молярном соотношении 2:1:2; еще один
некислотный фукозамин, богатый 2-амин-2,6-дидезокси-
D-галактозой полисахарид, также синтезируется этой
бактерией [61].
Неочищенный внеклеточный материал, полученный
из Serratia marcescens, считали смесью полисахаридов,
два из которых были, вероятно, рыхло соединены
между собой. Один из них содержал рамнозу и глюкозу
в основной цепи, а второй — глюкозу, Ь-глицеро-Э-ман-
ногептозу и О-глицеро-Э-манногептозу [73]. Эти
полисахариды содержали небольшие количества галактозы,
галактозамина, глюкозамина и связанный липид.
Второй кислотный полисахарид, выделенный из культур
этой бактерии, оказался состоящим из D-глюкозы и
D-маннозы с небольшим количеством D-глюкуроновой
кислоты, соединенных вместе в основной цепи через
связь (1->3). Миристиновая и оксимеристиновая
кислоты также были соединены с этим полимером [4]. Три
124
аналогичных полисахарида вместе с рамногептоглюка-
ном были обнаружены в капсуле Serratia marcescens,
подтвердив связь между внеклеточными и капсульными
полисахаридами [3].
Четыре вида Agrobacterium (tumefaciens, rhizogenes,
radiobacter и rubi) синтезируют гомополисахариды,
состоящие из 1,2-О-глюкопиранозных звеньев, связанных
с р-конфигурацией, образуя линейную молекулу.
Имеются доказательства, что эти полимеры могли
содержать неустановленные компоненты [27]. Другие штаммы
A. tumefaciens образуют кислый гетерополисахарид„
содержащий глюкозу, галактозу, ацетил и пируват в
молярном соотношении 6:1:1:1 [74].
Rhizobium — это еще один род, различные штаммы
которого синтезируют неодинаковые полисахариды.
Виды Rhizobium обозначаются в соответствии с бобовым
хозяином, на котором они образуют клубеньки. Было
доказано, что R. japonicum синтезирует нейтральный
полисахарид, по-видимому, идентичный
вырабатываемому многими видами Agrobacterium [18]. Другое
сходство между этими двумя родами в том, что R. meliloti
образует полисахарид, состоящий из глюкозы,
галактозы, пирувата- и ацетила, который кажется идентичным по
структуре полисахариду, синтезируемому двумя
штаммами A. tumefaciens [74]. Бьерндаль и др. [9] и Цевен-
хюзен [74], используя слегка отличающиеся
полисахариды от различных штаммов R. meliloti и Л.
tumefaciens, предположили аналогичные структуры, а именно с
основной цепью из Сахаров, связанных по типу р = 1-^3)
и р=(1->4). Из молекул глюкозы 12% были точками
ответвления со связью через 1, 4 и 6-й атомы
углерода и О-ацетильные группы, также присоединенные к
глюкозным остаткам были произвольно расположены
вдоль цепи. Цевенхюзен [74] получил также
доказательство, что небольшое количество имевшейся глюкозы
было связано через 1-й и 6-й атомы углерода.
Полисахариды R. trifolii, R. phaseoli и /?. legumino-
sarum обычно содержат глюкуроновую кислоту.
Типичный состав полисахарида, синтезируемого этими
бактериями, по Цевенхюзену [74], включает глюкозу,
галактозу, глюкуроновую кислоту, пируват и О-ацетил в
соотношении 5:1:2:2:3. Структура, предложенная для
полисахаридов этого типа, представляет собой цепь из
глюкозы, галактозы и остатка глюкуроновой кислоты
125.
с обеими связями (1-^3) и (1->4). Заместители пиру-
вата были обнаружены как вдоль цепи, так и в ее
конце прикрепленными к глюкозе или галактозе.
Некоторые остатки глюкозы и галактозы были точками
ответвления, замещаемыми у 1, 4 и 6-го атомов углерода
[74]. Как правило, присутствие или отсутствие глюку -
роновой кислоты позволяет приблизительно
классифицировать эти микоризные полисахариды, но Клапп и
Дейвис [12] изучали два штамма /?. meliloti с
умеренным содержанием глюкуроновой кислоты и один штамм
R. trifolii, во внеклеточном полисахариде которого не
было уроновой кислоты. Сообщалось о различных
других сахарах в полисахаридах, синтезируемых
микоризными грибами, например 4-0-метилглюкуроновая
кислота [37] и глюкозамин и галактозамин [64]. Вполне
вероятно, что в полисахаридах будут определены новые
компоненты, если такие исследования будут
продолжены.
Результаты анализов внеклеточных и капсульных
полисахаридов видов Azotobacter свидетельствуют о
большом разнообразии как специфичного уровня, так и
между штаммами. Внеклеточные полисахариды Л. indicum
оказались состоящим из двух полимеров: нейтрального
полисахарида, содержащего D-глюкозу, D-маннозу,
L-арабинозу и L-рамнозу (6-дезокси-Ь-маннозу) и
основной компонент (88%)—кислый линейный полимер
из повторяющихся звеньев, состоящих из равных частей
D-глюкуроновой кислоты, О-глицеро-Э-манногептозы и
D-глюкозы со связями <х=(1->-3) и (1->2) [26, 51]. Хог
и Ларсен [35] обнаружили аналогичный полисахарид,
синтезируемый Beijerinckia indica (Azotobacter indicum),
но в этом случае уроновая кислота была гулуроновой
кислотой и присутствовали некоторые ацетильные
группы. Полисахариды, выделенные из культур Л. chroo-
соссит, содержали глюкозу, галактозу, рамнозу и галак-
туроновую или глюкуроновую кислоту [41, 52], а
другой штамм, анализированный Лопецем и Беккингом
[43], содержал дополнительно к этим сахарам еще и
ксилозу. Внеклеточные полисахариды, выделенные из
ряда штаммов Л. vinelandii, обычно содержали галак-
туроновую кислоту, глюкозу и рамнозу с различными
количествами О-ацетильных групп и других Сахаров
[15, 43, 52]. Фактические количества в одном
конкретном штамме были следующими: 38% галактуроновой
326
кислоты, 1,5% глюкозы, 1,7% рямнозы и 2,9% ацетила
[15]. Другой штамм Л. vinelandii образовывал
совершенно иной полисахарид, состоящий главным образом
из D-маннуроновой кислоты с небольшой долей
звеньев L-гулуроновой кислоты, причем вся молекула была
частично ацетилирована [26]. Дальнейшая работа над
этим типом полисахаридов из различных штаммов
Л. vinelandii показала, что структура была очень
похожа на структуру альгинатов, получаемых из бурых
водорослей, и состояла из звеньев D-маннуроновой
кислоты, перемежающихся с блоками L-гулуроновой кислоты
с одной ацетильной группой на каждые пять остатков
уроновой кислоты [40]. Отношение маннуроновой
кислоты к гулуроновой равнялось примерно 0,56, но было
получено доказательство, что это отношение можно
изменять, после того как полимер синтезирован,
специфической эпимеразой, выделяемой клетками [36]. Клаус
[14] обнаружил необычный сахар, 2-кето-З-деоксигалак-
тоновую кислоту, связанную с внеклеточным
полисахаридом некоторых штаммов Л. vinelandii, A. agilis
отличается от других описанных видов тем, что имеет только
капсульный полисахарид, и анализ показал, что он
состоит из галактозы и рамнозы в молярном отношении
1,0:0,7 с небольшими количествами сиалиновых кис-
лотоподобных компонентов [16]. Судя по различным
результатам, полученным с различными штаммами
одного и того же вида Azotobacter, можно полагать, что
состав полисахаридов не имеет большой ценности
в качестве классификационного признака для
этого рода.
Другие почвенные бактерии, включая Pseudomonas,
fluorescens, Alcaligenes viscosus и ряд видов Bacillus
(subtilis, megatherium и polymyxa), все обычно
образуют леваны в чистых культурах [22, 24, 70]. Это
полисахариды, из которых при гидролизе получается только
фруктоза, а у видов Bacillus они состоят из D-фрукто-
фуранозных звеньев со связью (3 = 2,6. Некоторые виды
Bacillus синтезируют кислые гетерополисахариды,
содержащие глюкозу, маннозу и глюкуроновую кислоту в
дополнение к леванам [22]. В, macerans уникальна тем,
что образует декстрины Шардингера, представляющие
собой низкомолекулярные глюканы, состоящие из шести,,
семи и восьми глюкозных остатков, объединенных в
непрерывную петлю [23, 59].
127
Один вид Flavobacterium был способен
синтезировать сложный нейтральный полимер, содержащий D-ra-
лактозу, D-глюкозу, D-маннозу, D-рибозу и L-рамнозу,
когда для ее роста в качестве источников углерода
использовали ванилин и другие производные лигнина [54].
Полисахариды, выделенные из двух патогенных видов
Corynebacterium insidiosum и С. sepedonicum, состояли
из галактозы, глюкозы и фукозы (6-деоксигалактозы)
в молярном отношении соответственно 1,4:0,92:2 и
1,55:0,93:1 [63]. Кроме того, в полисахаридах из
С. insidiosum была обнаружена пировиноградная
кислота [25]. Обстоятельством, что эти полисахариды
содержали фукозу, которой не обнаруживали в здоровом
растительном материале, воспользовались как
доказательством, что они попадали в сосуды ксилемы растений,
зараженных этими бактериями, создавая блокаду и
последующее увядание [63].
Лишь ограниченное число родов бактерий обитает
в почве, но многие из них могут синтезировать
полисахариды. Руэтт и Кацнельсон [56] доказали, что виды
Arthrobacter и Pseudomonas наиболее обычные
бактерии в сельскохозяйственных почвах, причем численность
Arthrobacter снижается в присутствии корней пшеницы,
а численность Pseudomonas возрастает. Другие
обычные виды, связанные с ризосферой пшеницы,—
представители родов Achromobacter, Nocardia и Bacillus.
Аналогичное преобладание видов Arthrobacter в
обрабатываемых и целинных почвах, где они составляют
30—60% бактериальной флоры, наблюдалось Сумаром
и Блондо [62]. Эти ученые установили также, что
Flavobacterium, Achromobacter и Pseudomones обычно
встречались в обрабатываемых почвах, тогда как виды
Bacillus преобладали в парующих почвах. Бактерии,
способные синтезировать полисахариды в культуре,
особенно леваны, как правило, были более обычны на
корнях и вокруг корней пастбищных злаков, чем в почве без
ризосферы, но у бактерий, имевших только капсулы, не
было заметно никакого предпочтения для корней, как
природного местообитания [69].
Поскольку полисахариды предположительно
образуются в почве и могут взаимодействовать с глинами, они
участвуют в стабилизации почвенных агрегатов [44].
Мартин и др. [48] определяли почвенный агрегат как
«естественно встречающуюся гроздь или группу почвен-
128
ных частиц, в которых силы, удерживающие частицы
вместе, намного больше сил, действующих между
соседними агрегатами». Тип образуемых агрегатов зависит
от равновесия между сцеплением частиц, вызываемым
цементирующими веществами, и фрагментацией,
вызываемой механическими силами, такими, как промерзание
и проникновение корней [48]. Возможно, что
устойчивость этих агрегатов к размыванию водой создается
именно бактериальными полисахаридами. Почва с
агрегатами оптимального размера обеспечивает хорошие
условия для роста растений, особенно для
проникновения и закрепления корней и появления проростков.
Такая почва обладает достаточным пористым
пространством, чтобы быстро поглощать дождевую воду, она
также умеренно дренирована, а ее водоудерживающая
способность достаточна, чтобы почва оставалась
влажной, но хорошо аэрированной. Такие почвы не
образуют корки на поверхности, устойчивы против эрозии и,
как правило, более пригодны для механической
обработки [57].
Чтобы определить, способны ли бактериальные
полисахариды повысить прочность почвенных агрегатов,
проводили опыты трех типов: увеличивали содержание
углерода в почве для стимулирования природной
микрофлоры; вносили бактерии в почву и добавляли к почве
бактериальные полисахариды, выделенные из
лабораторных культур. Не было установлено никаких
изменений в степени агрегации, когда стерильную почву
обогащали органическим материалом [30], но добавление
глюкозы в почву в полевых масштабах вызывало
быстрое улучшение агрегации, предположительно
обусловленное деятельностью микроорганизмов [31]. Это
подтверждает общее наблюдение, что внесение
растительных остатков, таких, как солома, в плохо
агрегированные почвы приводит к улучшению почвецной структуры.
Внесение азота вместе с органическими материалами
дает еще лучшие результаты, предположительно
потому, что микроорганизмы были способны полностью
разлагать органическое вещество. Аспирас и др. [6]
установили, что добавление суспензии четырех бактерий в
растворе сахарозы улучшало связывание почвенных
агрегатов. Агрегаты, стабилизированные добавлением
суспензий Agrobacterium radiobacter и Bacillus poly-
туха, превосходили варианты с добавлением Rhizobium
9 Почвенная микробиология
129
irifolii и Agrobacterium tumefaciens. Однако Свейби
[68] пришел к выводу, что лишь немногие из
испытанных им бактерий были способны успешно
стабилизировать почвенные агрегаты.
Твердо установлено, что добавление к почве
полисахаридов, выделенных из чистых культур бактерий,
повышает прочность почвенных агрегатов. Внеклеточные
полисахариды Azotobacter indicum и Chromobacierium
violaceum оказались очень эффективными
стабилизаторами, причем последний превосходил все другие
испытанные материалы и не уступал синтетическим почво-
улучшителям [46, 49]. Клапп, Дейвис и Вогамен [13]
и Гаррис и др. [32] сообщали об аналогичных
наблюдениях над способностью низких концентраций (0,5%)
различных микоризных и бактериальных
полисахаридов эффективно стабилизировать почвенные частицы.
Механизм связывания агрегатов этими микробными
полисахаридами был предметом разных
предположений и изучения в упрощенных системах. Один из
методов подхода заключается в уравновешивании
монтмориллонита с растворами полисахарида различной
концентрации и измерении адсорбции. Форма получаемых
изотерм зависит от ионной формы глины и может быть
или сигмоидной, указывая, что при определенной
концентрации становятся доступными новые участки
адсорбции, или лангмюриановской, показывая, что
доступно только ограниченное число участков и полиса-
харидные молекулы образуют мономолекулярный слой
на поверхности [21].
Обычно полисахариды это молекулы с длинной
цепью, в некоторых случаях с боковыми ответвлениями,
обладающие большим числом свободных гидроксиль-
ных групп, а также в кислых полисахаридах —
свободных карбоксильных групп. Механизм связывания
молекул полисахаридов с глинистыми частицами
предполагается через ионные и водородные связи. Единственная
возможность связывания в леван или декстран
осуществляется через водородные связи от незамещенных гид-
роксильных групп к атомам кислорода глины. Большое
число таких слабых связей приводит к образованию
полимеров, трудных для десорбции [28]. Водородная
связь также, вероятно, важна в связывании анионных
полисахаридов с возможными дополнительными
водородными связями между карбоксильными группами и
130
глинистыми частицами, как это наблюдалось между
полигалактуроновой кислотой^и бентонитом [39].
Кислые полисахариды не могут иметь ионной связи с
отрицательно заряженной глиной, подобной
монтмориллониту, и было высказано предположение, что в этом
случае кальций мог действовать в качестве соединяющего
катиона [28].
Клапп, Дейвис и Вогамен [13] получили данные,
ставящие под сомнение значение карбоксильных групп
в агрегации почвы полисахаридами Rhizobia. Они
установили, что высокомолекулярные полисахариды с
большим содержанием уроновой кислоты были менее
хорошими стабилизаторами агрегатов, чем полисахариды с
низким содержанием уроновой кислоты. На основании
описанных опытов можно думать, что бактериальные
полисахариды могут стабилизировать почвенные
агрегаты в лабораторных условиях, но остается открытым
вопрос, действительно ли они влияют на стабильность
почвы в природных условиях.
Некоторые бактериальные полисахариды более
устойчивы к разложению почвенными микроорганизмами, чем
растительные материалы. Мартин и Ричарде [49]
установили, что если полисахарид, содержащий уроновую
кислоту, синтезированный Chromobacterium violaceum,
добавить к почве, то спустя восемь недель остается
приблизительно еще половина внесенного количества.
Через две недели исчезло 30% по сравнению с 45%-ным
разложением внесенной соломы и 70%-ным
исчезновением бактериальных декстранов и леванов.
Разложение полисахарида Chromobacterium начиналось не сразу,
и это указывает на то, что микроорганизмы с
подходящими для разложения ферментами не были
преобладающими. При сравнении скорости разложения
полисахаридов, полученных из различных почвенных
бактерий, наиболее устойчивым оказался полисахарид от
Azotobacter indicum, поскольку спустя восемь недель все
еще оставался 81%. Для других полисахаридов в той
же почве были получены следующие показатели: от
полисахарида Chromobacterium violaceum оставался
61%, Azotobacter chroococcum — 33%, и левана Bacillus
polymyxa — только 21%. Все эти полисахариды
сравнивали с глюкозой, от которой за тот же срок оставалось
16%. Большинство почвенных микроорганизмов было
неспособно использовать эти полисахариды в качестве
9*
131
источника углерода, за исключением полисахарида,
выделенного из культур A. chroococcum [46]. Кроме того,
Аспирас и др. [7] доказали, что связывающий
материал, синтезируемый микроорганизмами в обогащенной
сахарозой почве, не был устойчивым к биоразложению.
Хотя вещества, стабилизирующие агрегаты, были
синтезированы в обогащенной сахарозой почве при
аэробных и анаэробных условиях, когда почва
переувлажнялась, этот материал не разлагался и агрегаты
оставались прочными в течение значительного времени
[32]. Когда восстанавливались аэробные условия,
происходили быстрое разложение и потеря стабильности.
Тем не менее в природных анаэробных почвах
присутствие полисахаридов приводило к снижению
проницаемости в результате закупорки почвенных пор, приводя
к условиям, которые могут быть губительными для
роста растений [5].
Одной из причин, как правило, медленного
разложения сложных полисахаридов в почве является
отсутствие микроорганизмов, обладающих подходящими
конститутивными ферментами, но еще одной возможной
причиной является то, что полисахариды защищены
от микробов своей связью с глинистыми материалами
или почвенным органическим веществом. Гриффите и
Берне [31] установили, что полисахарид, полученный
из дрожжевого гриба Lipomyces starkeyi, повышал
прочность агрегатов некоторых почв и что этот
полисахарид можно было защитить от разложения,
пропитывая почву дубильной кислотой. Аналогичный результат
был получен в полевых масштабах, когда почву
пропитывали раствором глюкозы и дубильной кислоты.
Повышенная устойчивость агрегатов поддерживалась в
течение гораздо большего времени, чем при
использовании только глюкозы. Мартин, Эрвин и Шеферд [47]
изучали разложение в почве полисахаридов в
комплексах с различными тяжелыми металлами. Железные,
цинковые и медные соли полисахаридов, выделенных из
Azotobacter indicum и Arthrobacter viscosus, были более
устойчивыми против разложения, чем соли алюминия
или свободные кислоты. Такой же результат был
получен с полисахаридами A. chroococcum, но только здесь
цинковый комплекс легко разлагался. Тем не менее все
комплексы полисахаридов Chromobacterium violaceum
с металлами разлагались приблизительно с одинаковой
132
скоростью и до такой же степени, как и свобдные
кислоты. Разложение всех солей и свободных кислот, как
правило, происходило гораздо медленнее, чем глюкозы,
и здесь часто наблюдалась фаза отставания, в течение
которой исчезало очень немного материала.
Разложение фруктозана, синтезируемого Bacillus subtilis,
происходило лишь ненамного медленнее исчезновения
глюкозы и очень мало изменялось в присутствии ионов
металлов.
Многие исследователи пытались улучшить
стабильность плохо агрегированной почвы добавлением поли-
сахаридной фракции, выделенной из устойчивой,
агрегированной почвы. Материал, считавшийся наиболее
вероятно производным микробных полисахаридов, был
получен из фракции фульвокислоты в результате
осаждения ацетоном. Наивысшее содержание углеводов
в этом материале было около 50% [71], а остаток был
преимущественно неорганическим [1]. Анализы
показали присутствие в этой фракции большого ряда
Сахаров— галактозы, маннозы, арабинозы, рамнозы, глюку -
роновой кислоты, ксилозы и глюкозы. Последние два
сахара присутствовали в небольших количествах, что
подтверждает происхождение полисахаридов от
микроорганизмов, а не растений [71]. Было доказано, что
материал, осажденный из фракции фульвокислоты,
обладал почвоулучшающими свойствами, и степень его
эффективности, вероятно, зависела от содержания в нем
углеводов [55, 71]. Ренни, Труог и Аллен [55]
нашли его менее эффективным, чем синтетические почво-
улучшители или полисахариды, выделенные из культур
Agrobacterium radiobacter.
Разумно предположить, что если присутствие
микробных полисахаридов — важнейший фактор агрегации
почвы, то должна быть корреляция между наблюдаемой
стабильностью почвы и количеством материала,
осаждаемого из фракции фульвокислоты. Саломон [58]
установил, что прочность агрегатов почвы, на которой
попеременно выращивали картофель и полевицу (Agro-
stis), не коррелировала с содержанием полисахаридов
или полиуронидов в пробах почвы, взятых в конце
сезона. В противоположность этим результатам Честер,
Атто и Аллен [11], используя иную методику лкстрак-
ции, нашли, что степень агрегации почвы хорошо
коррелировала с содержанием микробных полисахаридов.
133
Эктон, Ренни и Пол [2] смогли продемонстрировать
лишь 35%-ную корреляцию между содержанием
микробных полисахаридов и степенью агрегации и
наблюдали также, что максимальное образование
полисахаридов происходило через 10 дней, тогда как
наивысшая степень агрегации почвы достигалась через 42 дня.
По этим причинам они сочли, что агрегация, вероятно,
была функцией скорее общего содержания углеводов, а
не только микробных полисахаридов.
Йодная кислота легко разрушает связь между
двумя соседними атомами углерода, если они оба несут
карбоксильную группу. Когда подверженные этому
воздействию полисахариды обрабатывают таким образом,
сахарные кольца разрываются, и образующиеся
полиальдегиды легко разлагаются в слабощелочных
условиях до частиц с низким молекулярным весом. Поскольку
этот тип структуры очень обычен у полисахаридов,
исключая случаи, когда сахара преимущественно
связаны по типу (1-ьЗ), можно ожидать, что обработка
почвы солями йодной кислоты и затем разведенной
щелочью разрушит агрегаты, устойчивость которых
обусловлена присутствием полисахаридов. Основываясь на
результатах обработки природных и синтетических
агрегатов солями йодной кислоты, Мета и др. [50] пришли
к выводу, что полисахариды не играли никакой роли в
стабилизации агрегатов лесной почвы. Синтетические
агрегаты, приготовленные добавлением почвы или
микробных полисахаридов к той же самой почве,
разрушались водой после аналогичной обработки. Гринленд,
Линдстром и Квирк [29] на протяжении ряда
последовательных лет брали почву на участках под
пастбищем, и она была почти полностью устойчива против
обработки йодной кислотой, тогда как прочность
агрегатов почвы из молодых (2—4-летних) пастбищ и из
интенсивно обрабатываемых полей зависела от
материала, который разлагался йодной кислотой. Почва из
нижележащих горизонтов всех испытанных участков
утрачивала стабильность, когда ее подвергали такой
же обработке. Аспирас и др. [6] и Гаррис и др. [32]
установили, что повышение прочности агрегатов,
вызванное добавлением бактериальных суспензий в растворе
сахарозы или бактериальными полисахаридами,
выделенными из культур, терялось при обработке йодной
кислотой.
134
Описанные опыты показывают, что полисахариды из
чистых культур и выделенные из хорошо
агрегированных почв могут образовывать искусственные
водопрочные агрегаты.
Однако это обстоятельство не доказывает, что
полисахариды— единственные факторы, определяющие
стабильность почв в природных условиях, или что они
фактически участвуют в этом. В физическом отношении
полисахариды идеально подходят к роли стабилизаторов
почвы, поскольку их длинные эластичные молекулы со
многими участками для присоединения способны
перекрывать пространство между почвенными частицами и
образовывать многие точки соприкосновения с каждой
из них [45].
То обстоятельство, что обычно не было хорошей
корреляции между прочностью агрегатов и содержанием в
почве микробных полисахаридов, неудивительно,
поскольку выделяемые фракции не бывают чистыми и не
могут представлять все микробные полисахариды в
почве. Здесь имеются возможности для изучения судьбы
бактериальных полисахаридов, вносимых в почву, что
легче сделать, пользуясь мечеными полимерами.
Бактерии, синтезирующие полисахариды, чаще
встречаются вокруг корней растений, чем в почве вне
ризосферы, и было отмечено, что, как правило, в этой зоне
было больше агрегатов [33]. Это опять-таки косвенное
доказательство участия бактерий, синтезирующих
полисахариды в стабилизации почвы вокруг корней. Степень
агрегации отдельной почвы может зависеть от
равновесия между синтезом и разложением цементирующих
веществ, причем оно будет связано с преобладающими
внешними условиями (7).
Попытки разрушения почвенных агрегатов
реагентами, окисляющими полисахариды, дали убедительное
доказательство, что полисахариды — это важнейшие
вещества, стабилизирующие почву под однолетними
культурами и кратковременными пастбищами. Ряд
исследователей считает, что влияние полисахаридов эфемерно*
и в последующем в почве, под обосновавшейся
растительностью они замещаются материалами, устойчивыми
к действию производных йодной кислоты. Гаррис и др.
[34] высказывали предположение, что бактерии могли
быть важны в начальных стадиях агрегации почвы,
способствуя образованию мелких агрегатов, которые в по-
13S
следующем упрочняются иным путем, например в
результате пронизывания грибным мицелием.
Могло бы быть проведено больше исследований
относительного значения бактериальных полисахаридов в
стабилизации почвы; но по мере изучения все большего
числа штаммов почвенных бактерий было выявлено
множество различных полимеров и не исключено, что
именно в области их структуры имеются наилучшие
возможности для интересных направлений исследований.
Л ИТЕРАТУРА
1. А с t о п С. J., Paul E. A., R e n n i e D. A. Measurement of
polysaccharide content of soils, Canadian /. Soil Science, 43,
141—150 (1963).
2. Acton С J., Rennie D. A., P a u 1 E. A. The relationship of
polysaccharides to soil aggregation, Canadian J. Soil Science, 43,
201—209 (1963).
3. A d a m s G. A., Y о u n g R. Capsular polysaccharides of Serra-
tia marcescens, Canadian J. Biochemistry, 43, 1499—1512 (1965).
4. A d a m s G. A., Young R. Constitution of an extracellular
acidic glucomannan from Serratia marcescens, Canadian J. Chemistry,
43, 2940—2946 (1965).
5. A11 i s о n L. E. Effects of micro-organisms on permeability of
soil under prolonged submergence, Soil Science, 63, 439'—450
(1947).
6. A s p i r a s R. В., Allen O. N., С h e s t e r s G.>, Harris R. F.
Chemical and physical stability of microbially stabilised
aggregates, Proc. SSSA, 35, 283—286 (1971).
7. A s p i r a s R. В., A 11 e n O. N., Harris R. F., С h e s t e r s G.
The role of micro-organisms in the stabilisation of soil agregates,
Soil Biology and Biochemistry, 3, 347—353 (1971).
8. В а г о о a h P. P., S e n A. Nitrogen fixation in Beijerinckia in
relation to slime formation, Archiv fur Mikrobiologie, 48, 381—385
(1964).
9. Bjorndal H., Erbing C, Lindberg В., F a h r a e u s G.,
Ljunggren H. Studies on an extracellular polysaccharide from
Rnizobium meliloti, Acta Chemica Scandinavica, 25, 1281—1286
(1971).
10. Bush J. A., Wilson P. W. A non-gummy chromogenic strain
of Azotobacter vinelandii, Nature, 184, 381 (1959).
11. С h e s t e r s G., A11 о e O. J., Allen O. N. Soil aggregation in
relation to various soil constituents, Proc. SSSA, 21, 272—277
(1957).
12. Clap p С E., Davis R. J. Properties of extracellular
polysaccharides from Rhizobium, Soil Biology and Biochemistry, 2,
109—117 (1970).
13. Clap p С E., Davis R. J., W a u g a m a n S. H. The effect of
Rhizobial polysaccharides on aggregate stability, Proc. SSSA, 26,
466—469 (1962).
136
14. Claus D. 2-Keto-3-deoxygalactorjic acid as a constituent of an
extracellular polysaccharide of Azotobacter vinelandii, Biochemical
and Biophysical Research Communications, 20, 745—751 (1965).
15. Cohen G. H., Joh nst one D. B. Extracellular
polysaccharides of Azotobacter vinelandii, J. Bacteriology, 88, 329—338
(1964).
16. Cohen G. H., Johnstone D. B. Capsular polysaccharide of
Azotobacter agilis, J. Bacteriology, 88, 1695—1699 (1964).
17. Corp e W. A. The extracellular polysaccharide of gelatinous
strains of Chromobacterium violaceum, Canadian J. Microbiology,
6, 153—163 (1960).
18. Dedonder R. A., Hassid W. Z. The enzymatic synthesis of
a (P-1,2-)-linked glue an by an extract of Rhizobium japonicum,
Biochimica et Biophysica Acta, 90, 239^-248 (1964).
19. Deinema M. E, Z evenh u i sen L. P. Т. М. Formation of
cellulose fibrils by Gram-negative bacteria and their role in
bacterial flocculation, Archiv fur Mikrobiologie, 78, 42—57 (1971).
20. D u g u i d J. P. The demonstration of bacterial capsules and
slime, /. Pathology and Bacteriology, 63, 673—685 (1951).
21. Finch P., Hayes M. H. В., Stacey M. Studies on soil
polysaccharides and on their interaction with clay preparations, in
Soil Chemistry and Fertility. Meeting of Commissions II and IV
of the International Society of Soil Science (ed. by G. V. Jacks),
19—32. Aberdeen (1966).
22. Forsyth W. G. C, Web ley D. M. Polysaccharides synthesi-
sed by aerobic mesophilic, spore-forming bacteria, Biochemical /.,
44, 455—459 (1949).
23. F re u d e n b e r g K., Cramer F. Dber die Schardinger-Dextrine
aus Starke, Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, 83,
296—304 (1950).
24. Fuchs A. Synthesis of levan by pseudomonads, Nature, 178,
921 (1956).
25. Gorin P. A. J., Spencer F. J. T. Isolation of 4,6-0-(I'-carbo-
xyethylidene)-D-galactose from the extracellular polysaccharide of
Corynebacterium insidiosum, Canadian J. Chemistry, 42, 1230—
1232 (1964).
26. G о r i n P. A. J., Spencer J. F. T. Exocellular alginic acid
from Azotobacter vinelandii, Canadian J. Chemistry, 44, 993—998
(1966).
27. G о r i n P. A. J., S p e n с e r J. F. Т., W e s 11 а к e D. W. S. The
structure and resistance to methylation of 1,2-p-glucans from
species of Agrobacteria, Canadian J. Chemistry, 39, 1067—1073
(1961).
28. Greenland D. J. Interaction between clays and organic
compounds in soils. Part I. Mechanisms of interaction between clays
and defined organic compounds, Soils and Fertilizers, 28, 415—425
(1965).
29. Greenland D. J., L i n d s t г о m G. R., Q u i г к J. P. Organic
materials which stabilise natural soil aggregates, Proc. SSSA, 26,
366—371 (1962).
30. G г i f f i t h s E. Micro-organisms and soil structure, Biological
Reviews, 40, 129—142 (1965).
31. Griffiths E., Burns R. G. Interaction between phenolic
substances and microbical polysaccharides in soil aggregation,
Plant and Soil, 36, 599-612 (1972).
137
32. Harris R. F., A 11 e n O. N., С h e s t e r s G., A 11 о e O. J.
Evaluation of microbial activity in soil aggregate stabilisation and
degradation by the use of artificial aggregates, Proc. SSSA, 27,
542—545 (1963).
33. H a r r i s R. F., С h e s t e r s G., A 11 e n O. N. Dynamics of soil
aggregation, Advances in Agronomy, 18, 107—169 (1966).
34. Harris R. F., Chesters G., Allen O. N., At toe O. J.
Mechanisms involved in soil aggregate stabilisation by fungi
and bacteria, Proc. SSSA, 28, 529—532 (1964).
35. Haug A., L a r s e n B. An extracellular polysaccharide from
Beijerinckia indica, containing L-guluronic acid residues, Acta
Chemica Scandinavica, 24, 1855—1856 (1970).
36. Haug A., Larsen B. Biosynthesis of alginate. Part II. Poly-
mannuronic acid C-5-epimerase from Azotobacter vinelandii (Lip-
man), Carbohyfrate Research, 17, 297—308 (1971).
37. Humphrey B. A. Occurrence of 4-O-methyl glucuronic acid in
Rhizobium gums, Nature, 184, 1802 (1959).
38. J e a n e s А., К n u t s о n С A., P i 11 s 1 e у J. E.,
Watson P. R. Extracellular polysaccharide produced from glucose by
Arthrobacter viscosus NRRL B—1973. Chemical amd physical
characterisation, /. Applied Polymer Science, 9, 627—638 (1965).
39. Kohl R. A., T а у 1 о г S. A. Hydrogen bonding between the car-
bonyl group and Wyoming bentonite, Soil Science, 91, 223—232
(1962).
40. Larsen В., Haug A. Biosynthesis of alginate. Part I.
Composition and structure of alginate produced by Azotobacter
vinelandii, Carbohydrate Research, 17, 287—296 (1971).
41. Lawson G. J., Stacey M. Immunopolysaccharides. Part I.
Preliminary studies of a polysaccharide from Azotobacter chroo-
coccum, containing a uronic acid, /. Chemical Society, 1925—1931
(1954).
42. Ljunggren H., Fahraeus G. Effects of Rhizobium
polysaccharide on the formation of polygalacturonase in lucerne and
clover, Nature, 184, 1578—1579 (1959).
43. Lopez R., Becking J. H. Polysaccharide production by
Beijerinckia and Azotobacter, Microbiologia Espanola, 21, 53—75
(1968).
44. Martin J. P. Micro-organisms and soil aggregation. II.
Influence of bacterial polysaccharides on soil structure, Soil Science, 61,
157—166 (1946).
45. M a r t i n J. P. Decomposition and binding action of
polysaccharides in soil, Soil Biology and Biochemistry, 3, 33—41 (1971).
46. Martin J. P., E r v i n J. O., S h e p h e r d R. A. Decomposition
and binding action* of polysaccharides from Azotobacter indicum
(Beijerinckia) and other bacteria in soil, Proc. SSSA, 29, 397—400
(1965).
47. M a r t i n J. P., E r v i n J. O., S h e p h e r d R. A. Decomposition
of iron, aluminium, zinc and copper salts or complexes of some
microbial and plant polysaccharides in soil, Proc. SSSA, 30,
196—200 (1966).
48. M a r t i n J. P., Martin W. P., Page J. В., R a n e у W. A.,
De M e n t J. D. Soil aggregation. Advances in Agronomy, 7,
1—37 (1955).
Д38
49. M a r t i n J. P., Richards S. J. Decomposition and binding-
action of a polysaccharide from Chromobacterium violaceum in
soil, /. Bacteriology, 85, 1288—1294 (1963).
50. Mehta N. C, S t r e u 1 i H, M u 11 e r M., D e u e I H. Role of
polysaccharides in soil aggregation, /. Science of Food and
Agriculture, 11, 40—47 (1960).
51. Pari kh V. M., Jones J. K. N. The structure of the
extracellular polysaccharide of Azotobacter indicum, Canadian J.
Chemistry, 41, 2826—2835 (1963).
52. P о r t о 1 e s A., Lopez R., H i 1 d a g о A. The action of
antibiotics on heteroglucan production by strains of Azotobacteriaceae„
Canadian J. Microbiology, 14, 763—767 (1968).
53. P о s t g a t e J. R. The Chemistry and Biochemistry of Nitrogen
Fixation (ed. by J. R. Postgate), 174—175. Plenum Press,
London (1971).
54. Pratt Y. Т., К о n e t z к a W. A., P e I с z a r M. P., Jr.,
Martin W. H. Biological degradation of lignin. V. Polysaccharide
synthesis from alpha-conidendrin, Applied Microbiology, 1,
171 — 174 (1953).
55. R e n n i e D. A., T r u о g E., A 11 e n O. N. Soil aggregation as
influenced by microbial gums, level of fertility and kind of crop.
Proc. SSSA, 18, 399—403 (1954).
56. Rouatt J. W., Katznelson H. A study of the bacteria on
the root surface and in the rhizosphere soil of crop plants,
/. Applied Bacteriology, 24, 164—171 (1961).
57. R u s s e 11 E. J. Soil Conditions and Plant Growth, 8th edition,
397. Longmans, Green, London (1950).
58. S a 1 о m о n M. Soil aggregation — Organic metter relationships
in redtop-potato rotations, Proc. SSSA, 26, 51—54 (1962).
59. Schardinger F. Ueber die Bildung kristallisierter, Fehling-
sche Losung nicht reduzierender Korper (Polysaccharide) aus
Starke durch mikrobielle Tatigkeit, Zentralblatt fur Bakteriologie,
Parasitenkunde und Infektionskrankheiten, 22, 98—103 (1909).
60. S 1 о n e к е г J. H., О r e n t a s D. G. Exocellular bacterial
polysaccharide from Xanthomonas campestris NRRL B—1459. Part II.
Linkage of the pyruvic acid, Canadian J. Chemistry, 40,
2188—2189 (1962).
61. Smith E. J. Purification and properties of an acidic
polysaccharide isolated from Achromobacter georgiopolitanum, J.
Biological Chemistry, 243, 5139—5144 (1968).
62. S о u m a r e S., В 1 о n d e a u R. Caracteristiques microbiologiques
de sols de la region du nord de la France: Importance des
'Arthrobacter' Annates de VInstitut Pasteur (Paris), 123,
239—249 (1972).
63. S p e n с e r J. F. Т., G о r i n P. A. J. The occutrence in the host
plant of physiologically active gums produced by Corynebacterium
insidiosum and Corynebacterium sepedonicum, Canadian J.
Microbiology, 7, 185—188 (1961).
64. S t e v e n s о n F. J., Clapp С E., Molina J. A. E. Occurrence
of amino sugars in extracellular polysaccharides of the genus
Rhizobium and some observations regarding their distribution in
somatic components, Proc. SSSA, 34, 759—764 (1970).
65. S u t h e r 1 a n d I. W. Phage-induced fucosidases hydrolysing the
exopolysaccharide of Klebsiella aerogenes Type 54 [A3(SI)],
Biochemical J., 104, 278—285 (1967).
139'
66. S u th er 1 a nd I. W. Bacterial exopolysaccharides, Advances in
Microbial Physiology, 8, 143—213 (1972).
67. Suther 1 and I. W., Wilkinson J. F. The exopolysaccha-
ride of Klebsiella aerogenes A3 (SI) (Type 54). The isolation of
O-acetylated octasaccharide, tetrasaccharide and trisaccharide,
Biochemical J., 110, 749—754 (1968).
68. S w a b у R. J. The relationship between micro-organisms and soil
aggregation, /. General Microbiology, 3, 236—254 (1949).
69. W e b 1 e у D. M., D u f f R. В., В а с о n J. S.D, Farmer U. C.
A study of polysaccharide-producing organisms occurring in the
root region of certain pasture grasses, /. Soil Science, 16,
149—157 (1965).
70. W e g e m e r D. E., Gainer C. Studies on a psychrophilic
bacterium causing ropiness in milk. II. Chemical nature of capsular
polysaccharide, Applied Microbiology, 2, 97—99 (1954).
71. W h i s 11 e r R. L., К i r b у К. W. Composition and behaviour
of soil polysaccharides, /. American Chemical Society, 78,
1755—1759 (1969).
72. W i 1 к i n s о n J. F. The extracellular polysaccharides of bacteria,
Bacteriological Reviews, 22, 46—73 (1958).
73. Y о u n g R., Adams G. A. Structural features of two
extracellular polysaccharides from Serratia marcescens, Canadian J.
Chemistry, 43, 2929—2939 (1965).
74. Z e v e n h u i s e n L. P. Т. М. Methylation analysis of acidic
exopolysaccharides of Rrizobium and Agrobacierium, Carbohydrate
Research, 26, 409—419 (1973).
6
КЛУБЕНЬКОВЫЕ БАКТЕРИИ В ПОЧВЕ
П. С. НАТМЕН (P. S. NUTMAN)
6.1. ВВЕДЕНИЕ
Основной интерес к Rhizobium и их важность
заключаются в их азотфиксирующей деятельности в
корневых клубеньках, но, кроме того, эти бактерии —
нормальные обитатели почвы, и в этой главе мы
ограничимся именно этой частью их жизненного цикла. Мы
попробуем связать воедино многие аспекты, обычно
рассматриваемые в отдельности, а чтобы обеспечить основу для
обсуждения, потребуется сделать краткий обзор
таксономии и общих свойств Rhizobium в чистой культуре.
Наконец, мы рассмотрим микробиологические проблемы,
связанные с внесением («инокуляцией») Rhizobium в
сельскохозяйственные почвы для улучшения пастбищных
и зерновых бобовых.
6.2. КЛАССИФИКАЦИЯ И ГЕНЕТИКА
КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ
Даже применительно только к почве литература о
Rhizobium, вероятно, более обширна, чем о каком-либо
другом почвенном организме, почти соперничая с
литературой об Escherichia coli, с которой они имеют
некоторое сродство как объект изучения. По этой причине
нами будут цитироваться лишь более важные или
новейшие источники. Подобно Е. coli, Rhizobium
претерпели ряд изменений наименования с момента их
первоначального выделения в 1888 г., как Bacillus radicicola,
и определения их родового и видового таксонов все еще
дискутируются. Некоторые микробиологи поддерживают
первостепенное значение симбиотического сродства,
тогда как другие не считают эти свойства более
важными, чем многие другие, которые могут быть
использованы.
141
Современная, основывающаяся на хозяине,
классификация отдельного рода и шести получивших названия
видов, а именно R. leguminisarum Frank R. trifolii
Dang., R. meliloti Dang., R. lupini Schrod., R. phaseoli
Dang, и R. japonicum Kirch., неудовлетворительна,
потому что перекрестно инокулируемые группы растений-
хозяев очень неодинаковы по размерам (клеверная
группа состоит только из видов Trifolium, тогда как
группа вигны включает несколько сотен родов) и, кроме
того, потому что перекрестное заражение часто слабо
выражено, а иногда аномально.
Много свидетельств сравнительной биохимии,
серологии, чувствительности к антибиотикам и фагам
штаммов Rhizobium, выделенных из различных хозяев,
позволяет предположить общность R. trifolii с R. legumi-
nosarum и R. phaseoli (как R. leguminosarum) и R. lupini
с R. japonicum (как R. japonicum или менее
предпочитаемым Polymyxa). R. meliloti остается отдельным
видом. Каждая из этих трех основных групп может быть
разделена еще дальше: группа вигны, в частности, до
очень значительной степени на основании характера
вирулентности [25, 26, 32]. Некоторые из
вышеописанных исследований касались также штаммов
Agrobacterium, Arthrobacterium, Azotobacter, Bacillus, Beijerinckia,
Chromobacterium, Flavobacterium, Serratia и Vibrio,
Agrobacterium, по-видимому, близкородствен Rhizobium,
Генетические исследования также пролили свет на
таксономию Rhizobium и на механизм переноса генов.
Они, как правило, подтверждают группирование Грэма,
но Гиббинс и Грегори [29] доказали, что R. trifolii и
R. leguminosarum можно различить путем
гибридизации ДНК, тогда как между R. meliloti и R, phaseoli
имеется некоторая связь. Анализ соотношения
оснований ДНК и гибридизация ДНК также показывают,
что Agrobacterium tumefaciens и R. leguminosarum
близкородственны. Клубеньковые бактерии
тропического пастбищного растения Lotononis bainesii заметно
отличаются от других Rhizobium и у них также
ненормально большой процент суммы гуанина+цитозина
(Г+Ц) [31]. Клубеньковые бактерии небобового
растения Trema cannabina, по-видимому, тесно связаны с
R, japonicum [81]. ДНК Serratia marcescens имеет
низкую степень гибридизации с ДНК Rhizobium, и
процент Г+Ц у нее такой же, как у ДНК R. trifolii. Отме-
142
чается наличие трансформаций между Rhizobium и Azo-
tobacter и между Rhizobium и Agrobacterium, и сообщалось
также о некотором сродстве между
клубеньковыми бактериями и бактериями, образующими
листовые клубеньки на Rubiaceae. То, что R. trifolii и R. 1е-
guminosarum близко родственны, подчеркивается
сообщениями о спорадическом заражении клевера
клубеньковыми бактериями гороха и недавней демонстрацией
возможности сильного увеличения частоты заражения
красного клевера штаммами бактерий гороха в
результате селекции [36]. Низкая частота заражения гороха
клубеньковыми бактериями R. trifolii может быть
увеличена за счет мутаций с использованием
ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, быстрых нейтронов или
антибиотиков [69].
Протопласты тканевых культур бобовых [20] и
небобовых [78] растений могут поглощать клетки
Rhizobium, но утверждение о переносе меченых белков от
клубеньковых бактерий к органеллам хозяина в
зараженных клетках не было подтверждено. Эти
наблюдения необязательно указывают на генетическую
гомологию; фактически очень низкий комбинационный
показатель (менее 0,6%) ДНК сои и R. japonicum [61] таков,
что любой перенос генетического материала был бы
совершенно неустойчивым. Варианты, возникающие
естественным путем или индуцируемые неблагоприятными
физическими или химическими условиями, облучением,
химическими мутагенами или ингибиторами метаболизма,
широко использовались в качестве маркеров при
изучении рекомбинаций, трансформаций, плазмидного
наследования и трансдукций и в экологических
исследованиях. Изменения, вызываемые фагами у штаммов
микоризных грибов, обусловлены либо селекцией, либо
лизогенией — это, видимо, скорее правило, чем
исключение; фаги из почвы имеют очень разнообразную
морфологию и спектр хозяев [4, 44]. Возможная конъюгация
Rhizobium в почве не была исследована, хотя Вейнбург
и Стокки [86] демонстрировали конъюгацию и
рекомбинацию у Escherichia coli в почве. Ковальски [46]
высказывал предположение, что трансдукция фагами
может быть важной в почве. Роль, которую играют эти
механизмы генетического изменения в модификации
природных популяций и в их эволюции, полностью
предположительна [24].
143
СВОЙСТВА КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ
Rhizobium — это мелкие до средних (0,5—0,9Х
Х1,2—3,0 мкм), не образующие спор, грамотрицатель-
ные палочки, обычно подвижные благодаря перитри-
хально расположенным или отдельным жгутикам. В
почве они встречаются в виде палочек или мелких кокков
с жгутиками или без них, причем соотношение форм
меняется при изменении условий и эти формы одно
время считались стадиями жизненного цикла. Как
аэробные гетеротрофы они легко выращиваются на ряде
бактериологических сред, содержащих дрожжевую вытяжку
в качестве источника дополнительных факторов
роста, хотя была разработана и полностью синтетическая
среда (см., например [72]). Для предотвращения
загрязнения грибами в среду можно добавить актидион,
и для лучшего роста на пластинках полезен медленно
абсорбируемый конго красный. Rhizobium нуждаются
также в следовых количествах Са, Mg, Zn, Co и,
возможно, никеля, но их рост подавляется тяжелыми
металлами в концентрациях выше следовых, причем
никель (но не цинк) мешает поглощению кобальта или
метаболизму. Клубеньковые бактерии удивительно
устойчивы против высоких концентраций хрома и
марганца.
Клубеньковые бактерии выживают при низких
температурах и могут высушиваться вымораживанием, но
быстро погибают при температуре выше 50°С,
поддерживаемой дольше нескольких часов [23], или при
высушивании. Много известно об их восприимчивости к
бактерицидным веществам, гербицидам, фунгицидам,
пестицидам, почвенным фумигантам и другим агрохимика-
там (см., например, [28, 42, 43, 83]), но меньше
известно о разложении ими таких соединений [52].
Клубеньковые бактерии обычно лучше всего растут
при нейтральном или слабокислом рН. Большинство
штаммов в культуре образует кислоту, но это не
связано с кислотностью той почвы, откуда они происходят
[40]. Rhizobium образуют ростовые вещества растений,
например производные индола, цитокинины и следы
гибберелловой кислоты, хотя их больше образуется в
клубеньке, чем в культуре, и некоторые штаммы
выделяют витамины группы В, факторы, вызывающие
увядание растений, бактериоцины и порфирины.
144
Клубеньковые бактерии образуют внеклеточные по-
лисахаридные слизи, несколько отличающиеся у
разных штаммов по составу и серологии [91]. Они
образуют также целлюлозные волоконца, но не целлюлозу.
Движение клубеньковых бактерий в почве
определяется влагой, и оно прекращается, когда водная пленка,
выстилающая почвенные поры, становится прерывистой
[34], что происходит обычно при упругости водяного
пара, все еще достаточной для прорастания семян. При
хорошем увлажнении почвы отмечалась скорость
движения в песке и почве от 2 до 200 мм в сутки.
6.3. ПОДСЧЕТЫ ЧИСЛЕННОСТИ
КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ В ПОЧВЕ
Поскольку клубеньковые бактерии культурально и
биохимически сходны со многими другими почвенными
микроорганизмами, их нелегко распознать на чашках с
почвенными разводками, и поэтому много работ было
посвящено разработке избирательных сред с
использованием красителей или смесей антибактериальных
веществ [73].
Пригодность этих сред очень ограниченна, и для
подсчетов пришлось прибегнуть к серологическим
методам, применяя сначала реакции агглютинации или
осаждения, и затем гель-диффузию [25] или мечение
флуоресцирующим антителом [41]. Для определения
изолятов из клубеньков флуоресцентная методика не
имеет себе равных, но для подсчетов в почве
неспецифичное поглощение и в меньшей степени
автофлуоресценция снижают точность метода. Мутанты
клубеньковых бактерий, отобранные на устойчивость к
стрептомицину или канамицину, можно использовать для чашечного
подсчета выделенных бактерий, и они оказались
удовлетворительными для изучения конкуренции и т. п.
[57]. Мутантный штамм R. japonicum, вызывающий
хлороз у хозяина, был использован для изучения
конкуренции между штаммами.
Более надежные подсчеты могут быть сделаны с
использованием растения-хозяина в биотестах, в которых
суспензию навески почвы добавляют к субстрату
растений, выращенных в стерильных условиях. Любые
имеющиеся в суспензии клубеньковые бактерии быстро
размножаются в ризосфере этих растений, и, таким обра-
10 Почвенная микробиология
145
зом, все разводки, содержащие по крайней мере
одну клетку, образуют клубенек на испытуемом
растении.
Этот метод впервые был применен Уилсоном [88],
который определял численность по простой пропорции,
но в настоящее время в расчеты введен фактор
вероятности (оценка «наиболее вероятного числа»). Мелко-
семянные виды хозяев, такие, как клевера или донники,
можно выращивать в пробирках на агаровой среде или
на смесях песка с вермикулитом, а более крупных
хозяев— в сосудах Леонарда или в пластмассовых мешках.
Подсчет выделенных бактерий показывает, что эти
методы, как правило, хороши для R. trifolii и R. lupini и
менее хороши для R. leguminosarum и R. meliloti,
возможно, вследствие того, что микробное хищничество или
антибиоз [56] влияют на какие-то виды клубеньковых
бактерий сильнее, чем на другие.
6.4. ЭКОЛОГИЯ КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ
РИЗОСФЕРА
Клубеньковые бактерии — это преимущественно ризо-
сферные организмы, размножающиеся на поверхности
корней и вокруг них, а также в слое слизегеля бобовых
и небобовых растений, но особенно бобовых [67].
Различные виды и штаммы стимулируются в слегка разной
степени, но не всегда сильнее хозяином, которого они
заражают, чем невосприимчивыми хозяевами.
Стимуляция наиболее сильна в местах, где появляются боковые
корни, и обычно ее зона простирается на 10—20 мм
от поверхности корня в почву. Она колеблется со
сменой времен года, но на нее мало влияют температура,
освещение, опрыскивание листьев или удобрения.
Многие другие организмы также стимулируются в
ризосфере бобовых, но грамотрицательные аэробные бактерии
размножаются сильнее всех. Численность грибов и в
первое время организмов, разлагающих целлюлозу, также
возрастает, но на анаэробы и на актиномицеты
стимуляция мало влияет.
Усиленный рост клубеньковых бактерий в
ризосфере является реакцией на выделение питательных
веществ. Корни растений выделяют или теряют
вследствие плазмоптиза очень разнообразные вещества: источ-
146
ники энергии, аминокислоты, факторы роста, особенно
витамины группы В, и ферменты. То, что ризосферная
стимуляция — это реакция на сложную смесь веществ,
было продемонстрировано Ровирой [66], который не
смог полностью заменить стимулирующее влияние
экссудатов корней смесями глюкозы, почвенной вытяжки,,
аминокислот и всех факторов роста, установленных в
выделениях корней.
ВЛИЯНИЕ ПОЧВЕННОЙ КИСЛОТНОСТИ, ЩЕЛОЧНОСТИ
И СОДЕРЖАНИЯ СОЛЕЙ
На виды и штаммы клубеньковых бактерий
различным образом действуют кислые или щелочные условия
в почве. Большинство штаммов R. trifolii не растет при
рН ниже примерно 5,0 или выше 7,0, но штаммы
R. meliloti ограниченное время могут переносить рН
столь низкий, как 3,5, и столь высокий, как 8,7. R.
meliloti и R. leguminosarum кажутся менее
восприимчивыми к щелочным условиям, чем R. japonicum. R. trifolii
переносит рН до 3,5, и его свойства остаются
неизменными даже при сохранении такого рН в течение
длительных периодов [84]. Уилсон [89] изучал R. trifolii
и R. leguminosarum в трех пахотных почвах, в которые
на протяжении 40-летнего периода вносили в разных
вариантах серу, сульфаты или карбонаты, что изменило
в них содержание солей и рН в пределах 4,8—8,0.
Наименьшее число R. trifolii и R. leguminosarum было
обнаружено в почвах, ставших наиболее кислыми. Было
доказано, что клубеньковые бактерии не переносят
засоления, особенно засоления, создаваемого более чем
0,4% NaHC03; ионы К, Na, S04, Cl и NaCl казались
менее вредными, чем 1 н. Na2S04, или K2SO4, или KC1.
Рост R. japonicum сильно замедлялся в субстрате,
содержавшем 0,008 М NaCl, и вообще прекращался при
0,16 М NaCl [90]; азотные удобрения меньше
повреждали клубеньковые бактерии, чем NaCl. Бхардваи [8]
установил, что штаммы от Sesbania cannabina,
росшей в засоленной почве, были более выносливыми к
этим условиям, чем штаммы из нормальной почвы. Суб-
ба Рао и др. [79] установили, что /?. meliloti был
более вынослив к соли, чем его растение-хозяин.
10*
147
ВЛАЖНОСТЬ И ТЕМПЕРАТУРА
В стерильных, медленно высыхающих почвенных
культурах клубеньковые бактерии могут выживать в
течение десятков лет. R. meliloti был заново выделен из
таких культур, первоначально содержавших 0,5% ман-
нитола, спустя 45 лет [38], a R. japonicum без
добавления сахара выживал до 19 лет [71]. При высушивании
на стеклянных бусах бактерии погибают в течение дней
или недель, причем 60%-ная относительная влажность
более губительна, чем нулевая или 20%-ная.
Клубеньковые бактерии из бульонной культуры, высушенные на
семенах или торфе, также выживали только в течение
недолгого времени, и их гибель ускорялась экспозицией
на солнечном свете. Штаммы отличаются по
способности к выживанию: R. trifolii выживает лучше, чем R. те-
liloti или R. lupini. Среди различных неспорообразую-
щих почвенных организмов Чен и Александер [16]
нашли, что клубеньковые бактерии наиболее восприимчивы
к иссушению, требуя для роста минимальной
активности воды (aw) 0,990—0,993. Выживание при
иссушении и высокой температуре выше в тяжелых или
органических почвах, чем в легких почвах, и оно улучшается в
почвах, обогащенных монтмориллонитом, иллитом
и т. д.; глины, вероятно, взаимодействуют с
бактериями в снижении скорости потери воды [48]. Защитное
влияние глин может быть связано с природой контакта
с бактериями, а он различен у разных штаммов.
Маршалл [49], используя электрофорез, доказал, что связь
была скорее по типу грань-ребро, чем грань к грани.
Медленно растущие клубеньковые бактерии имеют
поверхностные кислые (карбоксильные) группы, тогда как
быстрорастущие обладают более сложной структурой,
включая экспонированные аминогруппы. Содержание в
почвах гуминовой и фульвокислот может также
оказывать улучшающее влияние, потому что обе они заметно
ускоряют рост при добавлении их к культур ал ьному
субстрату, хотя мечение гуминовой кислоты 14С
показало, что это вещество не поглощалось R. trifolii. Во
влажных почвах штаммы менее выносливы к высоким
температурам, чем в более сухих почвах, хотя
повреждающие высокие температуры чаще всего наблюдаются,
когда почвы сухие. Штаммы из различных
климатических областей могут иметь разницу в целых 3—4°С в
148
оптимальной температуре для роста. Уилкинс [87]
сообщал о большей температурной устойчивости у штаммов,
выделенных из дикорастущих бобовых в жарких
западных равнинах Нового Южного Уэльса в Австралии, чем
у штаммов из более прохладных нагорий, но нет
никаких признаков адаптации у штаммов, интродуцирован-
ных в эти области.
Чател и Паркер [15] продемонстрировали меньшую
выносливость R. trifolii, интродуцированного в
засушливые области Западной Австралии с легкими почвами
по сравнению с местными природными штаммами
R. lupini. В этой области нередко регистрируют
температуры до 60°С на глубине 1,3 см в почве. Эти почвы
лишены защитного действия достаточно большого
глинистого компонента. Подвергая культуры
кратковременному воздействию температур до 70°С, Делин [22]
выделил штаммы, медленнее погибающие при этой
температуре, чем исходный штамм, но ограниченные
колебания в температурной устойчивости у клубеньковых
бактерий из зон с контрастирующими климатами не
дает большой надежды на улучшение температурной
выносливости. Утверждения о выделении клубеньковых
бактерий, очень устойчивых к высокой температуре
(100°С), ультрафиолетовым лучам и радиации или
имеющих пигменты, остаются неподтвержденными.
ДРУГИЕ ПОЧВЕННЫЕ ФАКТОРЫ, ОТРИЦАТЕЛЬНО
ВЛИЯЮЩИЕ НА КЛУБЕНЬКОВЫЕ БАКТЕРИИ
Выше указывалась различная восприимчивость
видов и штаммов клубеньковых бактерий к
антибактериальным агентам, большинство которых образовано
почвенными микроорганизмами, и имеется также много
косвенных доказательств влияния микробного антагонизма
на клубеньковые бактерии в почве. Актиномицеты более
антагонистичны к клубеньковым бактериям, чем
бактерии, и некоторые из них подавляют образование
клубеньков. Хаттинг и Лув [35] изучали реакцию ряда
штаммов /?. trifolii каждого в отдельности на более чем
1000 изолятов грибов и бактерий из ризосферы и ризо-
плоны клеверов, растущих на юге Африки; 8% из них
были антагонистичными; а 16% стимулирующими,
причем среди антагонистов выделялись Pseudomonas. В
некоторых районах Западной Австралии, где R. trifolii
149
трудно обосновывается в почве, примерно 14% изолятов
грибов и бактерий были антагонистичными к этому
виду, а водные вытяжки из этих почв были токсичными
для них. Среди аэробных спорообразующих бактерий из
южноамериканских почв имелся штамм Bacillus subtilis,
который образовывал антагонистический пептид (ризо-
бацидин), подавлявший рост всех испытанных грампо-
ложительных, но не грамотрицательных организмов, за
исключением клубеньковых бактерий. Андерсон [3]
сравнивал влияние ряда почвенных грибов и бактерий
на клубеньковые бактерии, растущие в чистых
культурах и в симбиозе. Некоторые влияли благоприятно,
другие отрицательно в обоих вариантах. Один из грибов
подавлял клубеньковые бактерии только в ризосфере
хозяина. Красильников и Кореняко [47] также изучали
влияние видов Pseudomonas и Achromobacter на рост
R. trifolii в ризосфере и обнаружили у некоторых
подавляющее, у некоторых стимулирующее действие, а
часть не оказывала никакого влияния. Из многих
видов грибов, связанных с клубеньками, некоторые
подавляли рост клубеньковых бактерий в ризосфере [17].
Швингхамер [70] изучал антагонизм среди 300
штаммов клубеньковых бактерий, пользуясь шестью тест-
штаммами Rhizobium, у 35% был обнаружен слабый
антагонизм (обусловленный диализируемым веществом)
по отношению к двум тест-штаммам, и 8% оказались
лизогенными, так как образовывали вещество, подобное
бактериоцину.
Бактериофаги клубеньковых бактерий широко
распространены в почвах [5, 45], и одно время они
считались причиной почвоутомления при выращивании
люцерны и других бобовых вследствие снижения
численности Rhizobium ниже уровня, оптимального для
заражения. Однако распространенность фагов
клубеньковых бактерий столь же широка, как и их
бактерий-хозяев, и, возможно, связана с популяциями Rhizobium; без
специальных антисептических мер вегетационные опыты
с бобовыми, имеющими клубеньки, быстро оказываются
загрязненными фагами [45].
Фагоустойчивые формы появляются в результате
мутаций и могут отличаться и другими свойствами. Так
как в почве весьма вероятна трансдукция, генетическое
влияние фага Ъюжет быть более важным, чем его
влияние на численность.
150
Клубеньковые бактерии могут быть заражены Bdel-
lovibrioy но насколько широко это может быть
распространено, пока неизвестно. Сюлливан и Касида [80]
не обнаружили Bdellovibrio, поражающих
клубеньковые бактерии в фильтратах из почвы кукурузных полей
или в прудах для очистки сточных вод в Пенсильвании,
но Паркер и Гроув [58] нашли Bdellovibrio в почвах
Западной Австралии. Их фильтраты были активны
против R. meliloti, R. trifolii, Agrobacterium tumefaciens и
Agrobacterium radiobacter, однако R. lupini не
поддавался лизису.
Штаммы Rhizobium неодинаково восприимчивы к
лизису почвенными миксобактериями. Примерно
половина штаммов, изученных Сингхом [76], была
частично или полностью растворена. Большинство
штаммов Rhizobium частично или полностью поедается
огромным амебовидным организмом (Leptomyxa
reticulata), но из 16 изученных штаммов только два были
частично съедены большими почвенными амебами, ни
один не был съеден мелкими амебами, и три штамма
были частично съедены жгутиковыми простейшими [75,
77]. Колебания в «съедобности» штаммов не
коррелировали с количеством выделяемой ими слизи.
ЧИСЛЕННОСТЬ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ В ПОЧВЕ
Несколько меньше 10% из более чем 12 000
известных видов бобовых растений было изучено на
присутствие корневых клубеньков, и из них относительно
немногие (большей частью среди цезальпиниевых) не
имели клубеньков и не образовывали их при инокуляции
штаммами Rhizobium, взятыми с обладающих
клубеньками представителей тех же семейств растений [1]. Это
указывает на то, что устойчивость у этих бобовых,
вероятно, является свойством хозяина, но также и на то, что
распределение клубеньковых бактерий, как правило,
согласуется с распределением хозяев; там, где имеется
восприимчивый хозяин, там есть и клубеньковые
бактерии. Обратное положение труднее установить, но, по-
видимому, клубеньковые бактерии, как правило,
отсутствуют там, где их хозяев нельзя обнаружить.
Немногими исключениями могут быть очень небольшие
популяции клубеньковых бактерий, занесенных откуда-то с
пылью, на сельскохозяйственных орудиях и т. д.
151
Австралийские исследователи установили заметное
распространение R. meliloti на естественных
пастбищах в округе Мак-Квари в Новом Южном Уэльсе,
которые в прошлом не содержали в травостоях никаких
видов люцерны или донника, и в 25 из 26 местообитаний
Нового Южного Уэльса и Квинсленда, где в настоящее
время имеются виды люцерны; численность
клубеньковых бактерий колебалась от 10 до 106 клеток на 1 г
сухой почвы. По-видимому, нет никакой зависимости
между распределением клубеньковых бактерий и
рельефом местности, если не считать влияния рельефа на
распределение видов хозяев. Аналогичные результаты
были установлены для распределения R. trifolii на
естественно возобновляющихся холмистых пастбищах на
западе Великобритании. За исключением двух штаммов,
выделенных из местоположений на высоте от 240 да
300 м н. у. м., Мастерсон [50] не нашел ни
клубеньковых бактерий, ни клеверов выше 2100 м в
юго-восточной Ирландии. Там и на холмах Уэльса и Шотландии
штаммы, выделенные на больших высотах, были
малоэффективными [37]. В некоторых из этих районов
низкая эффективность была связана с низкими значениями
рН и низким содержанием оснований в почве.
Натмен и Росс [56] обследовали популяции
клубеньковых бактерий в некоторых различно
удобрявшихся делянках Степного заповедника Ротамстедской
опытной станции, который на протяжении более 100 лет был
лугом, скашиваемым на сено. Было найдено
поразительное соответствие между встречаемостью видов Rhizo-
Ыит в почве каждой делянки и присутствием их
бобовых растений-хозяев. На всем поле не имелось
люцерны и донника, и ни на одной делянке не было найдено
R. meliloti, хотя на соседних полях Medicago lupulina
была обычным сорняком. На большинстве делянок
имелись R. trifolii, R, leguminosarum и R. lupini, и
наиболее обильным видом был R. trifolii, особенно на
произвесткованных делянках, где его численность обычно
превышала 106 на 1 г почвы. Эффект ризосферы был
заметен на R. trifolii, даже после столь длительного
периода под клеверным травостоем, особенно на
делянках с несколько кислыми почвами. Клубеньковые
бактерии были наиболее многочисленны в пробах с
глубины 0—2,5 см, но на большинстве делянок значительные
популяции были обнаружены вплоть до максимальной
152
глубины взятия проб (30 см). Они отсутствовали на
делянках с рН почвы ниже примерно 4,0, и выжившие
R. trifolii в почве с критически низким рН были мало
эффективными в фиксации азота на Trifolium pratense,
но ни кислотность, ни отсутствие извести не были
неизменно связаны со снижением их эффективности.
Азотные удобрения воздействуют на почвенные
популяции клубеньковых бактерий главным образом в
результате их влияния на распределение видов хозяев.
Они не очень отражаются на симбиотических свойствах
штаммов; все штаммы, выделенные с производственных
делянок, получавших азотные удобрения на протяжении
более 100 лет, обладали хорошей эффективностью.
Де Эскудер [21] производил подсчеты клубеньковых
бактерий на постоянном пастбище с белым клевером в
травостое, высеянным до 1956 г. в Кенте на глинистой
почве с рН 6,7, и обнаружил более 106 R. trifolii на 1 г
почвы, 104—105 R. leguminosarum, около 102 R. lupini
и ни одного R. meliloti.
Больше всего изучались клубеньковые бактерии
пахотных почв (включая виды на сеяных пастбищах).
Первые обширные исследования были проведены Уил-
соном [88, 89], который проследил за развитием этих
бактерий в первой бобовой культуре (клевер, горох и
коровий горох), следовавшей за пшеницей в среднеза-
падных штатах США. Численность была очень
изменчивой от менее одного организма на 1 г до более 105
на 1 г. Клевера больше стимулировали размножение
R. trifolii, чем R. leguminosarum.
Коровий горох слабее всего стимулировал развитие
R. trifolii, который, однако, со временем становился
более многочисленным, чем R. leuguminosarum, вне
зависимости от того, какие культуры выращивались.
Численность была склонна снижаться до минимума зимой
и возрастать по мере роста хозяина. Сильное
удобрение навозом пылеватого суглинка увеличивало
численность даже при довольно кислых условиях (рН 5,2—5,8),
и известкование также действовало стимулирующе.
Немногие клубеньковые бактерии были найдены в почве
под посевами овса или под картофелем.
Петерсон и Гудинг [60] определяли наличие или
отсутствие R. meliloti более чем в 300 десятиграммовых
пробах почвы из штата Небраска и обнаружили этот
вид только в некислых условиях (по отношению к поч-
153
венному типу), причем на его присутствие или
отсутствие не влияли карбонаты, фосфаты, общая емкость
катионного обмена или обменный кальций.
Дженсен [39] брал пробы почвы
сельскохозяйственных угодий в 214 пунктах в Дании и нашел, что R. tri-
folii распространен почти повсеместно, даже в двух
очень кислых почвах (рН 4,3 и 4,4) и в некоторых
вересковых и лесных почвах. В среднем по 105 организмов
на 1 г почвы было насчитано в 27% почв, на которых
не росли клевера. R. meliloti присутствовал в 70% почв
с рН выше 6,0 (обычно более 105 на 1 г). При
инокуляции этих почв в лабораторных условиях R. meliloti
быстро погибал при рН ниже 5,0, медленнее погибал
при 5,2—5,7 и выживал 22 недели при рН выше 5,9.
Натмен [54] и Натмен и Росс [56] определяли
численность четырех наиболее обычных видов Rhizobium
в ряде почв классических пахотных полей Ротамстеда
(пылеватый суглинок) и Вуберна (опесчаненный
суглинок). Число организмов каждого вида было
незначительным (а иногда они отсутствовали) в почвах,
непрерывно засеваемых небобовыми культурами, или в
ротациях без участия бобовых или под длительным паром,
В Барнфилде (Ротамстедская станция — непрерывное
выращивание корнеклубнеплодов с 1843 г.), где не было
отмечено появления бобовых сорняков, /?. trifolii и
R. leguminosarum в среднем имелись в числе немногих
сотен на 1 г почвы, a R. meliloti и /?. lupini были
еще малочисленнее или даже отсутствовали в некоторых
пробах: такая низкая численность не зависела от
внесения минеральных или органических удобрений.
В Бродбоке (Ротамстедская станция — монокультура
пшеницы с 1843 г.) R. leguminosarum был наиболее
многочисленным (около 105 на 1 г), R. trifolii и R. lupini
встречались редко (около 102 на 1 г) и R. meliloti был
очень редким (около 10 на 1 г). Численность
клубеньковых бактерий на этом поле не была связана с
частотой встречаемости -бобовых сорняков. На других
опытных полях Ротамстедской станции численность
клубеньковых бактерий была намного большей: например, на
произвесткованном поле средняя численность их под
Medicago lupulina, Vicia faba и Trifolium pratense
составляла соответственно 5ХЮ5 R- meliloti, более чем
2ХЮ6 /?. leguminosarum и 7ХЮ5 J?, trifolii на 1 г сухой
почвы.
154
Аналогичные исследования были проведены в Уай
(Кент) де Эскудером [21]. R. trifolii и R. legutninosa-
гит были более многочисленными, чем R. lupini и
R. meliloti, и, так же как и в других исследованиях,
большие популяции обнаруживали только там, где
недавно выращивался соответствующий хозяин.
Удобрения не оказывали большого влияния на численность.
Серология штаммов клубеньковых бактерий также
изучалась в Уай, в местах, где определенно выращивали
люцерну в различное время после 1956 г., и которые
инокулировали промышленным инокулятом,
приготовленным из штамма 2001 Ротамстедской коллекции. Ни
один из 110 изолятов не был серологически идентичен
штамму 2001, хотя примерно половина их реагировала
с некоторыми из его антигенов в испытаниях с
осаждением в геле. Тизимура и Ватанабе [82]
зарегистрировали более 104 R. meliloti на 1 г почвы под люцерной
и более 105 R. trifolii на 1 г под Trifolium lupinaster
в почвах Японии. Белл и Натмен [6] подсчитывали
R. meliloti в пяти пунктах близ Ротамстеда или на
самой станции, где, по отчетам, никогда не выращивали
донник. В трех пунктах (все с рН 6,0) R. meliloti не
был обнаружен. В карбонатной почве с рН 7,5 было
насчитано около 102 на 1 г почвы и на довольно кислом
участке (рН 5,5) его численность превышала 103 на 1 г.
Бертон, Аллен и Бергер [13] установили, что R. pha-
seoli не изобиловал в почвах среднего запада США и
его численность не была связана с реакцией почвы.
Уивер, Фредерик и Дюменил [85] нашли большие
расхождения в численности R. japonicum (от менее 10
до более 106 на 1 г почвы) в почвах из 52 пунктов штата
Айова; численность бактерий была связана главным
образом с историей полей, структурой почвы и
содержанием в ней органического вещества.
Серологические методы широко используются для
изучения распределения штаммов R. japonicum и
конкуренции между штаммами, уже находящимися в почве, и
штаммами, вводимыми путем инокуляции. Многие
серологические типы установлены даже в пределах
отдельного пункта, и спектр серологических типов среди
изолятов из клубеньков отличался в разных пунктах и
зависел от типа почвы, даты высева и т. д. [7, 14].
Влияние хозяина на распределение клубеньковых бактерий
было продемонстрировано Шеффлером и Лувом [68],
155
которые также определили гораздо больше антигенов
среди изолятов дикорастущих бобовых, чем среди изо-
лятов и от иноземных бобовых. Хэм, Фредерик и
Андерсон [33] наблюдали влияние рН на серотип, но, как
правило, серология штамма не имела корреляции со
свойствами почвы.
Ранее в лабораторных и вегетационных опытах по
изучению конкуренции между парами штаммов
клубеньковых бактерий из групп гороха, клевера и сои
использовали штаммы, которые можно было определить куль-
турально или серологически. Они продемонстрировали
различия в скорости роста в ризосфере, которыми
иногда объяснялись разные доли штаммов, выделенных из
клубеньков. Серологическими методами Рид [62] и
Скрдлета [74] установили, что соотношение штаммов в
клубеньке находилось в простой зависимости от доли
клеток каждого штамма в инокулюме; однако, когда
инокуляция вторым штаммом задерживалась, доля
образованных им клубеньков снижалась. Другие
исследователи, используя разные штаммы и условия, не смогли
выявить какой-либо пропорциональности между
популяциями в ризосфере и клубеньками. Робинсон [64] и
Джонс и Расселл [41] указали на большие
несоответствия в этих соотношениях: в одном случае требовалась
разница в 10 000:1, чтобы преодолеть избирательное
влияние хозяина при определении, какая именно
бактерия образовала клубеньки. Конкуренция между
небольшими местными популяциями эффективных штаммов
R. meliloti и большим инокулюмом неэффективного
штамма изучалась Беллом и Натменом [6] в пяти
местоположениях на трех почвах (тяжелый суглинок, опес-
чаненный суглинок и карбонатная почва). В каждом
местоположении инокулируемый штамм размножался в
ризосфере люцерны и первоначально образовывал все
клубеньки, но этот штамм более или менее полностью
подавлялся в ризосфере эффективными штаммами
спустя 12—18 месяцев. Натмен и Ред [55] описали еще
одно влияние хозяина на состав почвенной популяции
штаммов, доказав, что местные штаммы R. trifolii (в
Швеции и в Великобритании) были несколько более
эффективными на местных сортах красного клевера, чем.
на сортах из других районов.
Иной характер конкуренции в полевых условиях был
описан исследователями, использовавшими культураль-
156
ные свойства, устойчивость к антибиотикам и
серологические тесты [57, 62] и штаммы R. japonicum,
вызывающие хлороз у хозяина [51]. Они также доказали, что
хозяин мог оказывать решающее влияние; природа
этого избирательного влияния неясна и трудна для
изучения вследствие сложности заражения и образования
клубеньков [53].
Без стимулирования корнями растений численность
клубеньковых бактерий в почве снижается со скоростью,
зависящей от врожденной способности штамма к
выживанию, а также физических, химических и
биологических свойств почвы. Уилсон [89] наблюдал, что три
года пара, за которыми следовало три года тимофеевки
на сильно удобренном пылеватом суглинке в США, не
оказывали никакого влияния на численность /?. trifolii
и R. leguminosarum. Гилтнер и Лонгворти [30] изучали
устойчивость неспорообразующих бактерий, включая
Rhizobium (тогда называвшегося Pseudomonas radici-
cola) в почве, которую оставляли высыхать, и
установили, что их выживало больше в тяжелой почве, чем в
легкой, или же там, где в почву добавляли молоко,
альбумин, гуммиарабик, агар или растворимый крахмал.
Боннье [11] сравнивал выживание трех штаммов
клубеньковых бактерий в восьми разных почвах.
Численность бактерий снижалась очень быстро в песчаных и
лёссовых почвах, или в почве под секвойей; выживание
было наилучшим в почве ольшаника. Натмен и Росс
[56] проследили за изменениями у R, trifolii, R.
leguminosarum и R. meliloti на поле под долговременным
черным паром на Ротамстедской станции (начат в
1960 г. после постоянных злаков) и в Вуберне (начат
в 1959 г. после полевых культур). Первоначально
численность R. trifolii и R. leguminosarum была
одинаковой на обоих полях (соответственно около 105 и 103),
но в Вуберне было больше R. meliloti (более 103), чем
в Ротамстеде (менее 102). Численность R. trifolii и
R. leguminosarum снижалась аналогичным образом на
каждом поле, но с большими колебаниями, особенно на
более тяжелой почве. Это было, по-видимому, связано
с летними дождями и, возможно, стимулирующим
влиянием временного роста сорняков. Численность R.
meliloti снижалась гораздо быстрее, чем R. trifolii и R.
leguminosarum. Полное выпадение R. meliloti было впервые
отмечено после четырех лет пара на обоих полях.
157
6.5. ИСКУССТВЕННОЕ ВНЕСЕНИЕ
КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ В ПОЧВУ
Опыт с чистым паром в Вуберне был позже
использован для выращивания инокулированной люцерны, и
здесь было продемонстрировано быстрое накопление
клубеньковых бактерий в ризосфере, соответствующее
раннему развитию всходов [6]. Ко времени сева (май)
имелось менее одной бактерии R. meliloti на 1 г почвы,
но уже в июне их численность возросла до более 105
на 1 г почвы. Она медленно увеличивалась в почве
произвесткованных делянок, засеянных райграсом, но ни
известкование, ни азотные удобрения не отражались на
численности бактерий в ризосфере люцерны. Эта
примечательная зависимость почвенной популяции
клубеньковых бактерий от стимуляции хозяином
(усиливающейся на пахотных землях распространением и ростом
хозяина, иногда представляющего монокультуру)
достаточна для объяснения их распределения в природных и
сельскохозяйственных местообитаниях и необходимости
инокулировать некоторые бобовые в почве, где они или
близкородственные им виды не выращивались. Без этого
■феноменального размножения потребовалась бы столь
массированная инокуляция в полевых масштабах, что
это было бы непрактичным. Обычная хорошая почва
содержит примерно до 1020 бактерий на 1 га в слое
О—10 см, тогда как инокуляция семян в
рекомендованных дозах вводит максимум 109 R. trifolii на 1 га на
инокулированных семенах белого клевера или 108
R. japonicum на 1 га, когда инокулируют семена сои.
Первоначально для инокуляции использовали почву
или измельченные, снабженные корневыми клубеньками
корни бобового, которое намечено высевать. Эта
методика была заменена инокуляцией чистыми или
смешанными культурами, выращиваемыми в жидкой или
агаровой среде, и обычно с использованием такого
носителя, как перегной и почва, пыль от кокосового волокна,
соевая мука, сгнившие стержни кукурузных початков,
лигнит, багасса, порошковидная целлюлоза или
инфузорная земля и различные компосты. В настоящее
время в качестве носителя предпочитают торф, но,
поскольку он часто содержит антагонистические бактерии и
актиномицеты, его лучше сначала простерилизовать и
нейтрализовать, прежде чем смешивать с бактериаль-
158
ной культурой и оставлять для дрзревания. Инокулиро-
ванной торфяной культурой обрабатывают семена или
почву, иногда с такими добавками, как бентонит, смолы
или гемицеллюлозы. Методы и проблемы инокуляции,,
производство и применение инокулюмов описаны в
обзорах Дейта [19], Руфли [65] и др.
Помимо многих почвенных факторов, отрицательно
влияющих на выживание или предотвращающих
быстрое размножение клубеньковых бактерий, инокулюм,.
которым обрабатывают семена, восприимчив также к
повреждению минеральными удобрениями, химикатами,
применяемыми для защиты растений при
протравливании или дражировании семян, токсичным диффузатом
из семян и ингибирующими веществами из корней
проростков бобовых или даже клубеньков, или же
образуемыми соседними растениями. Выживание клубеньковых
бактерий на семенах бобовых может быть меньшим, чем
на стеклянных бусах, но оно может быть улучшено
предварительным замачиванием семян.
Некоторые диффузаты семян бобовых подавляют
многие грамположительные и грамотрицательные
организмы: диффузат из семян клевера ползучего (Trifolium
repens) был определен как смесь танинов и флавонол-
мирицетина [27]. Боннье [10] установил, что корни
Galega officinalis и видов Scholia подавляли один штамм
R. meliloti, но не штаммы R. trifolii и R. japonicum и
отметил, что диффузаты из Medicago saliva, Glycine
max, Vicia villosa, V. narbonensis и Lathyrus luteus не
обладали ингибиторным действием. Вытяжки из
Ambrosia elalior, Euphorbia corollata и Helianthus annus
(содержащие полифенолы и галлотанины) и вытяжки из
почвы брошенных полей, на которых росли эти сорняки,
подавляли примерно половину испытанных штаммов,
клубеньковых бактерий и ограничивали образование
клубеньков у бобовых, к которым их добавляли [63].
Считают, что некоторые из этих веществ защищают всходы
от возбудителей болезней корней. Это вредное влияние
можно иногда устранить, дражируя инокулированные
семена смесями извести, фосфоритной муки, глины
и т. п., или путем размещения инокулюма ниже или
сбоку семян, или же используя большее количество
инокулюма. Массивная инокуляция (или иногда вторичная
инокуляция) и инокуляция смесей клубеньковых
бактерий другими организмами, такими, как молочнокис-
159
лые бактерии или псевдомонады, также применялись
для улучшения приживания инокулюма и для
преодоления конкуренции со стороны малоэффективных штаммов
или же влияния почвенной кислотности.
Чтобы предотвратить быструю гибель инокулюма на
семенах, делались попытки вносить клубеньковые
бактерии в семена либо путем инокуляции рылец цветков
растений-хозяев, или путем помещения семян в
бульонную культуру, над которой понижают давление, а затем
резко восстанавливают нормальное давление, чем
культуру принудительно вводят в трещины семян. Однако
мечение 32Р бактериальных культур, используемых для
вакуумной обработки, показало, что бактериями
пропитываются почти исключительно поврежденные или
мертвые семена [18]. Методы предварительной инокуляции
не могут быть рекомендованы потому, что
обработанные семена часто в последующем страдают от
заражения грибами; даже дражирование не всегда сказывается
положительно. Ни одним из этих методов нельзя сильно
заразить семена бактериями.
6.6. ЗАВЕРШЕНИЕ ЦИКЛА
Некоторые бобовые, такие, как арахис и подземный
клевер, заглубляют свои бобы ниже поверхности почвы,
и тем самым они загрязняются почвой и клубеньковыми
бактериями. Однако частая необходимость инокулиро-
вать эти культуры позволяет думать, что этот способ
переноса или распространения бактерий, возможно,
существенный в природных растительных сообществах, не
имеет никакого значения в сельском хозяйстве. Бобы
травянистых бобовых также часто загрязняются почвой,
но Брокквелл [12] не обнаружил никаких
клубеньковых бактерий на 84% образцов бобов Medicago tribuloi-
des и лишь немного на остальных.
Почва несомненно служит основным резервуаром
свободноживущих клубеньковых бактерий, и в
естественных условиях она редко нуждается в пополнении ими.
Под плотными или чистыми травостоями бобовых
размножение в ризосфере и освобождение Rhizobium из
клубеньков обильно обогащают почву для следующей
культуры.
В свое время полагали, что бактероиды клубеньков
распадаются с образованием мелких кокков, которые
160
затем попадают в почву, но большое расхождение
между общей численностью и численностью
жизнеспособных клеток в суспензиях клубеньков заставило
усомниться в этом. Алмон [2], пользуясь
микроманипулятором, перенес по одной более 400 клеток бактероидов в
тот или иной из восьми бактериальных субстратов.
Единственная повторность, в которой был обнаружен
рост, была выбракована как загрязнение. С тех пор
многие исследования показали, что старые бактероиды
лизируются, разлагающиеся клубеньки заселяются со
старых инфекционных пучков и внешними организмами.
Это явление ежегодно повторяется в большинстве
клубеньков, но клубеньки клевера, растущего в
определенных условиях, выживают в течение зимы, чтобы
возобновить рост весной, и были описаны истинно многолетние
клубеньки утесника и ракитника, у которых
обнаруживали до шести годичных колец [59].
За немногими исключениями, микробы, подобно
змеям и паукам, низко стоят во "мнении общественности,
и эта глава, где говорится всего лишь о наиболее
важном свойстве клубеньковых бактерий — фиксации ими
азота, вряд ли послужит основанием для включения
их в число избранных, хотя они могут выполнять
полезные второстепенные функции в круговороте углерода,
образовании стабилизирующих почву слизей и ростовых
веществ растений, а также в повышении растворимости
фосфатов.
За последние 60 лет значительная часть сильного
увеличения первичной продукции во всем мире зависела
от больших изменений, вызванных в микробной
популяции почв распространением бобовых культур и
практикой инокуляции. Наиболее показательное увеличение
продукции было достигнуто там, где конкуренция со
стороны естественно встречающихся клубеньковых
бактерий отсутствовала и где условия благоприятствовали
процессу инокуляции, как, например, в зоне
выращивания сои в США и на востоке Европы или на пастбищах
с травостоями, содержащими подземный клевер в
Австралии; наибольший успех обычно достигался с
впервые вводимыми в культуру растениями и их
бактериями. Если инокуляция была успешной, естественный
процесс колонизации ризосферы начинает преобладать и
там, где это происходит, инокуляция может быть
однократным процессом на все последующее время или же
11 Почвенная микробиология
161
операцией, повторение которой потребуется лишь в
редких случаях.
В течение ближайших немногих десятилетий эта
фаза «колонизации» будет продолжаться, особенно для
клубеньковых бактерий пастбищных бобовых в
умеренных и умеренно теплых областях, где еще не перешли
к культурным пастбищам. В течение этого периода,
вероятно, будет приложено много усилий для создания
удовлетворительных ассоциаций бобовое —
клубеньковые бактерии для субтропических лугопастбищных
угодий и для лучшего приспособления инокулюма к
потребностям хозяина. Другим направлением развития может
быть изменение микробной популяции почвы путем
инокуляции или другими средствами в условиях
климатического или иного стресса для устранения конкуренции со
стороны неэффективных или менее эффективных
штаммов клубеньковых бактерий. Такое развитие кажется
наиболее актуальным в тропиках, где наиболее велика
необходимость увеличения производства белка путем
увеличения урожаев зернобобовых, но эти вопросы
затрагивают также и высокоразвитые и интенсивные
системы земледелия в умеренных областях вследствие
необходимости экономить очень большие количества
топлива, расходуемого на производство и применение
азотных удобрений, часто превышающие 10 000 ккал на
каждый килограмм вносимого азота.
Л ИТЕРАТУРА
1. Allen О. N., А 11 е n E. К. Plants in the subfamily Caesalpinioi-
deae observed to be lacking nodules, Soil Science, 42, 87—91
(1936).
2. A1 m о n L. Concerning the reproduction of bacteroids, Zentral-
blatt fur Bakteriologie, Parasitenkunde und Infektionskrankheiten,
87, 289—297 (1933).
3. Anderson K. J. The effect of soil microorganisms on the plant-
rhizobia association, Phyton, 8, 59—73 (1957).
4. Bar net Y. M. Bacteriophages of Rhizobium trifolii. I.
Morphology and host range, /. General Virology, 15, 1—15 (1972).
5. В a r n e t Y. M., V i n с e n t J. M. 'Self-lytic' strains of Rhizobium
trifolii, Australian J. Science, 32, 208 (1969).
6. В e 11 F., Nutman P. S. Experiments on nitrogen fixation by
nodulated lucerne, Plant and Soil Special Volume, 231—264
(1971).
7. Bezdicek D. F. Effect of soil factors on the distribution of
Rhizobium japonicum serogroups, Proc. SSSA, 36, 305—307
(1972).
162
8. В h a r d w a j К. К. R. Note on the growth of Rhizobium strains
of dhaincha (Sesbania cannabind) in a saline-alkaline soil, Indian
J. Agricultural Science, 42, 432—433 (1972).
9. В h a r d w a j K. K. R-, G a u r A. C. Studies on the growth
stimulating action of humic acid on bacteria, Zentralblatt fur Bakte-
riologie, Parasitenkunde, Infektionskrankheiten und Hygiene, 126,
649—699 (1971).
10. Bonnier C. Anti-Rhizobium properties of extracts of certain
Leguminosae, Comptes Rendues de la Societe Biologique, 148,
1894—1896 (1954).
11. Bonnier C. La conservation du Rhizobium en sols steriles
(Rhizobium specifique des Trifolium), Bulletin Institute of
Agronomy Gembloux, 23, 359—367 (1955).
12. Brockwell J. The presence of Rhizobium meliloti on pods of
Medicago tribuloides, Australian J. Experimental Agriculture and
Animal Husbandry, 5, 141—143 (1965).
13. Burton J. C, Allen O. N., Berger К. С The prevalence
of strains of Rhizobium phaseoli in some Midwestern soils, Proc.
SSSA, 16, 167—172 (1952).
14. Caldwell B. E., H a r t w i g E. E. Serological distribution of
soybean root-nodule bacteria in soils of South Eastern USA,
Agronomy J., 62, 621—622 (1970).
15. Chat el D. L., Parker С A. The colonization of host-root and
soil by rhizobia. I. Species and strain differences in the field,
Soil Biology and Biochemistry, 5, 425—432 (1973).
16. С h e n M., Alexander M. Survival of soil bacteria during
prolonged desiccation, Soil Biology and Biochemistry, 5,
213—221 (1973).
17. Chhonkar P. K., Subba Rao N. S. Fungi associated with
legume root nodules and their effect on rhizobia, Canadian J.
Microbiology, 12, 1253—1261 (1966).
18. Cooper R. Inoculation of legume seed by vacuum treatment,
Rothamsted Report for 1961, 79, (1961).
19. D a t e R. A. Microbiological problems in the inoculation and
nodulation of legumes, Plant and Soil, 32, 703—725 (1970).
20. D a v e у M. R., Cocking E. С Uptake of bacteria by isolated
higher plant protoplasts, Nature, 239, 455—456 (1972).
21. De Escuder A. H. Q. A survey of rhizobia in farm soils at
Wye College Kent, /. Applied Bacteriology, 35, 109—118 (1972).
22. D e 1 i n S. Isolation of Thermoduric strains of Rhizobium, Lant-
brukshogskolans annaler, Uppsala, 35, 29—34 (1969).
23. D i a 11 о f f A. Relationship of soil moisture, temperature and
alkalinity to a soybean nodulation failure, Queensland J.
Agricultural and Animal Sciences, 27, 29—293 (1970).
24. D i 1 w о r t h M. J., Parker C. A. Development of nitrogen-
fixing system in legumes, /. Theoretical Biology, 25, 208—218
(1969).
25. D u d m a n W. F. Antigenic analysis of Rhizobium japonicum by
immunodiffusion, Applied Microbiology, 21, 973—985 (1971).
26. E 1 к a n G. H. Biochemical and genetical aspect of the taxonomy
of Rhizobium japonicum, Plant and Soil Special Volume, 85—104
(1971).
27. Fottrell P. F., O'Connor S., Master son С L.
Identification of the flavonol myricetin in legume seed and its toxicity
11*
163
to nodule bacteria, Irish J. Agricultural Research, 3, 246—249
(1964).
28. G a u г А. С, M i s г а К. С Effect of 2,4-dichlorophenoxyacetic
acid on the growth of Rhizobium species in vitro, Indian /.
Microbiology, 12, 45—46 (1972).
29. G i b b i n s A. M., Gregory K. F. Relatedness among
Rhizobium and Agrobacterium species determined by three methods of
nucleic acid hybridization, /. Bacteriology, 111, 129—141 (1972).
30. G i 11 n e r W., Longworthy H. V. Some factors influencing
the longevity of soil microorganisms subjected to desiccation with
special reference to soil solution, /. Agricultural Research, 5,
927—942 (1916).
31. Godfrey C. A. The carotenoid pigment and deoxyribonucleic
acid base ratio of a Rhizobium which nodulates Lotononis baine-
sii Baker, /. General Microbiology, 72, 399—402 (1972).
32. G r a h a m P. H. The application of computer techniques to the
taxonomy of the root nodule bacteria of legumes, /. General
Microbiology, 35, 511—517 (1964).
33. Ham G. E., Frederick L. R., Anderson I. C. Serogroups
of Rhizobium japonicum in soybean nodules, Agronomy J., 63,
69—72 (1971).
34. H a m d i Y. A. Soil water tension and movement of rhizobia,
Soil Biology and Biochemistry, 3, 121—126 (1971).
35. H a 11 i n g h M. J., L о u w H. A. Clover rhizoplane bacteria
antagonistic to Rhizobium trifolii, Canadian J. Microbiology, 15,
361—364 (1969).
36. H e p p e r C. Genetics of red clover nodulation, Rothamsted
Report for 1972, Part 1, 82 (1973).
37. Holding A. J., Lowe J. F. Some effects of acidity and heavy
metals on the Rhizobium in leguminous plant association, Plant
and Soil Special Volume, 153—165 (171).
38. Jensen H. L. Survival of Rhizobium meliloti in soil culture,
Nature, 192, 682—683 (1961).
39. J e n s e n H. L. The distribution of lucerne and clover rhizobia in
agricultural soils in Denmark, Tidsskrift for PlanteavL, 73, 61—72
(1969).
40. J о n e s D. G., Burrows A. C. Acid production and symbiotic
effectivaness in Rhizobium trifolii, Soil Biology and Biochemistry,
1, 57—61 (1969).
41. Jones D. G., Russell P. E. The application of
immunofluorescence techniques to host plant/nodule bacteria selectivity
experiments using Trifolium repens, Soil Biology and Biochemistry,
4, 277—282 (1972).
42. К е с s к е s M. A. A survey of herbicide sensitivity and resistance
of rhizobia, Symposia Biologica Hungarica, 11, 454 (1970). .
43. Kecskes M., Manninger E. Effect of antibiotics on the
growth of rhizobia, Canadian J. Microbiology, 8, 157—159 (1962).
44. Kleczkowska J. Phage-induced changes in Rhizobium,
Rothamsted Report for 1958, Part 1, 72 (1959).
45. Kleczkowska J. Establishment of phage and bacteria in a
sterilised compost in a glasshouse, Plant and Soil, 37, 425—429
(1972).
46. Kowalski M. Lysogeny in Rhizobium meliloti, Acta Microbio- .
logica Polonica, 15, 119—128 (1966).
164
47. Kr a ssili nikov N. A., Koreniako A. I. The influence of
soil bacteria on the virulence ancl activity of Rhizobium trifolii,
Mikrobiologiya, 13, (i) 39 (1944).
48. M a r s h a 11 К, С The nature of bacterium — clay interactions and
its significance in survival of Rhizobium under arid conditions,
Proceedings IX International Congress of Soil Science, Adelaide,
Volume III, 275—280 (1968).
49. M а г s h a 11 К. С. Methods of study and ecological significance
of rhizobium-clay interactions, in Methods of Study in Soil
Ecology (ed. by J. Phillipson), 107—110, Proceedings UNESCO/IBP
Symposium, Paris (1970).
50. Master son C. L. Clover nodule bacteria survey, An For as
Taluntais Soils Division Research Department Dublin, pp. 78—79
(1961).
51. Means U. M., Johnson H. W., Erdman L. W. Competition
between bacterial strains affecting nodulation in soybeans, Proc.
SSSA, 25, 105—108 (1961).
52. Most af a I. Y., Fakhr I. M. I., Bahig M. R. E., El-Z a -
w a h г у Y. A. Metabolism of organophosphorus insecticides.
XIII. Degradation of malathion by Rhizobium species, Archiv fur
Mikrobiologie, 86, 221—224 (1972).
53. N u t m a n P. S. The relation between nodule bacteria and the
legume host in the rhizosphere and in the process of infection, in
Ecology of Soil-borne Plant Pathogens (ed. by K. F. Baker,
W. С Snyder), 231—247. University of California Press,
Berkeley (1965).
54. N u t m a n P. S. Microbiology of Broadbalk Soils; Legume nodule
bacteria, Rothamsted Report for 1968, Part 2, 179—181 (1969).
55. N u t m a n P. S., Read M. P. Symbiotic adaptation in local
strains of red clover and nodule bacteria, Plant and Soil, 4,
57—75 (1952).
56. N u t m a n P. S., R о s s G. J. S. Rhizobium in the soils of the
Rothamsted and Woburn farms, Rothamsted Report for 1969,
Part 2, 148—167 (1970).
57. О b a t о n M. Use of antibiotic-resistant spontaneous mutants for
studying the ecology of Rhizobium, Comptes Rendu Hebdomadairc
des Seances de VAcademie des Sciences, 272D, 2630—2633
(1971).
58. P a r к е г С. A., G г о v e P. L. Bdellovibrio bacteriovirus parasi-
tising Rhizobium in Western Australia, /. Applied Bacteriology,
33, 253—255 (1970).
59. P a t e J. S. Perennial nodules on native legumes in the British
Isles, Nature, 192, 376—377 (1961).
60. Peterson H. В., Gooding Т. Н. The geographic distribution
of Azotobacter and Rhizobium meliloti in Nebraska soils in
relation to certain environmental factors, University of Nebraska
Agricultural Experimental Station Research Bulletin, 121, 1—24
(1941).
61. Rake A. V. Lack of DNA homology between the legume Glycine
max and its symbiotic Rhizobium bacteria, Genetics, 71, 19—24
(1972).
62. R e a d M. P. The establishment of serologically identifiable
strains of Rhizobium trifolii in field soils in competition with
native microflora. /. General Misrobiology, 9, 1—14 (1953).
165
63. R i с е Е. L. Inhibition of nodulation of inoculated legumes by
leaf leachates from pioneer plant species from abandoned fields,
American J. Botany, 58, 368—371 (1971).
64. R о b i n s о n A. C. Competition between effective and ineffective
strains of Rhizobium trifolii in the nodulation of Trifolium subterra-
neum, Australian /. Agricultural Research, 20, 827—841 (1969).
65. R о u g h 1 e у R. J. The preparation and use of seed inoculants,
Plant and Soil, 32, 675—701 (1970).
66. R о v i r a A. D. Plant root excretions in relation to the rhizosphere
effect. II. A study of the properties of root exudate and its effect
on the growth of microorganisms isolated from the rhizosphere
and control soil, Plant and Soil, 7, 195—208 (1956).
67. R о v i r a A. D. Rhizobium numbers in the rhizosheres of red
clover and paspalum in relation to soil treatment and numbers of
bacteria and fungi, Australian J. Agricultural Research, 12, 77—83
(1961).
68. S с h e f f 1 e r J. G., Louw H. A. The serological characteristics
of the clover rhizobia in the soils of the Stellenbosch district,
South African /. Agricultural Science, 10, 161—174 (1967).
69. S с h w i n g h a m e r E. A. Studies on induced variation in the
rhizobia. III. Host range modifications of Rhizobium trifolii by
spontaneous and radiation-induced mutation, American J. Botany, 49,
269—277 (1969).
70. Schwinghamer E. A. Antagonism between strains of
Rhizobium trifolii in culture, Soil Biology and Biochemistry, 3,
355—363 (1971).
71. Sen A., Sen A. N. Survival of Rhizobium japonicum in
stored air-dry soils, /. of the Indian Society of Soil Science, 4,
215—220 (1956).
72. S h e r w о о d M. T. Improved synthetic medium for the growth
of Rhizobium, J. Applied Bacteriology, 33, 708—713 (1971).
73. Skinner F. A. Influence of yeast extract on Rhizobium trifolii,
Rothamsted Report for 1972, Part I, 82—83 (1973).
74. Skrdleta V. Application of immunoprecipitation in agar gel
for the serological typing of soybean root nodules, Folia Micro-
biologica, 14, 32—35 (1969).
75. S i n g h B.N. Selection of bacterial food by soil flagellates and
amoebae, Annals of Applied Biology, 29, 18—22 (1942).
76. Singh B. N. Myxobacteria in soils and composts; their
distribution, number and lytic action on bacteria, /. General
Microbiology, 1, 1—10 (1947).
77. S i n g h B. N. Studies on giant amoeboid organisms. I.
Distribution of Leptomyxa reticulata Goodey in soils of Great Britian
and the effect of bacterial food on growth and cyst formation,
/. General Microbiology, 2, 8—14 (1948).
78. Stenz E. Rhizobia in plant tissue cultures. Part I. Investigations
on the infection of plant cells by rhizobia in vitro, Zentralblatt
fur Bakteriologie, Parasitenkunde, Infektiowkrankheiten und
Hygiene, lite Abteilung, 126, 142—150 (1971).
79. Subba Rao N. S, Lakshmi-Kumari M., Singh С S.,
M a g u S. P. Nodulation of lucerne (Medicago sativa) under the
influence of sodium chloride, Indian J. Agricultural Science, 42,
384—386 (1972).
80. Sullivan C. W., С a si da L. E. Parasitism of Azotobacter
and Rhizobium species by Bdellovibrio badenovirus, Antonie van
166
Leeuwenhoek /. Microbiology and Ser otology, 34, 188—196
(1968).
81. Trinick M. J* Symbiosis between Rhizobium and the
non-legume, Trema aspera, Nature, 244, 459—460 (1973).
82. Tuzimura K-, Watanabe I. The effect of rhizosphere o<
various * plants on the growth of Rhizobium, Soil Science and
Plant Nitrition (Tokyo), 8, 13—17 (1962).
83. V a n S с h r e v e n D. A. Influence of seed disinfection with
Amertan on rhizobia inoculation of Medicago lupulina L., Plant
and Soil, 27, 443—446 (1967).
84. V a n S с h r e v e n D. A. On the resistance of effectiveness of
Rhizobium trifolii to a low pH, Plant and Soil, 37, 49—55
(1972).
85. W e a v e r R. W., Frederick L. R., D u m e n i i L. C. Effect
of soybean cropping and soil properties on numbers of Rhizobium
japonicum in Iowa soils, Soil Science, 114, 137—141 (1972).
86. W e i n b e r g S. R., S t о с к у G. Conjugation and genetic
recombination of Escherichia coli in soil, Soil Biology and Biochemistry,
4, 171—180 (1972).
87. W i 1 к i n s J. The effects of high temperatures on certain rootno-
dule bacteria, Australian J. Agricultural Research, 18, 299—304
(1967).
88. Wilson J. K. Seasonal variation in the numbers of two species
of Rhizobium in soil, Soil Science, 30, 289—296 (1930)..
89. W i 1 s о n J. K. Relative numbers of two species of Rhizobiim
in soils, /. Agricultural Research, 43, 261—266 (1931).
90. Wilson I. R., N orris D. O. Some effects of salinity on
Glycine javanica and its Rhizobium symbiosis, in Proceedings of the
XI International Grassland Congress, Paradise, Queensland,
Australia, 455—458 (1970).
91. Zevenhuizen L. P. T. M. Chemical composition of exopoly-
saccharides of Rhizobium and Agrobacterium, /. General
Microbiology, 68, 239—243 (1971).
7
нитрификация и нитрифицирующие
БАКТЕРИИ
Н. УОКЕР (N. WALKER)
7.1. ВВЕДЕНИЕ
Нитрификация в почве — это процесс, в результате
которого аммиак окисляется до нитрата, причем это
окисление происходит в два этапа, где посредниками
служат две различные группы автотрофных бактерий.
Вследствие давности изучения этого процесса на Ро-
гамстедской станции кажется уместным сначала
рассмотреть начальные исследования Р. Уорингтона
[30—33]. В конце 1880-х годов и в начале 1890-х Уоринг-
тон изучал проблемы образования и потерь нитратов из
почвы, непосредственно перед эпохальными
исследованиями Виноградского, и, хотя он не был
квалифицированным бактериологом, он внес ряд важных вкладов в
изучение вопроса, установив некоторые основные факты,
касающиеся нитрификации, и почти преуспел в
выделении вызывающей ее бактерии. Уорингтон [30]
подтвердил результаты исследований Шлезингера и Мюнтца
[21], продемонстрировавших, что нитрификацию в
сточных водах можно прекратить хлороформом, доказав
также, что любые антисептики (например, хлороформ,
сероуглерод, фенол) прекращают нитрификацию в
почве. Повторное заражение свежей почвой или
обогатительными культурами оказывалось необходимым для
возобновления процесса нитрификации. Аммиак в почве
лучше всего нитрифицировался примерно при 30°С,
слабо щелочной реакции и в присутствии такого основания,
как карбонат кальция. Свет подавлял нитрификацию.
Уорингтон [31, 32] выяснил далее, что процесс
происходил в два этапа — превращения аммония в нитрит и
превращения нитрита в нитрат — и что эти окисления
осуществлялись разными видами бактерий. Хотя возможно,
что Уорингтон иногда имел практически чистые культу-
168
ры участвующих в этом бактерий, он не сумел
определить с уверенностью их автотрофный характер.
Примерно в то же время Виноградский [41, 42]
опубликовал свой замечательный вклад в наши знания
о нитрифицирующих бактериях и, в частности,
установил, что два типа нитрифицирующих организмов были
истинными автотрофами, добывающими свой углерод
только из двуокиси углерода, а энергию — за счет
окисления соответственно аммония или нитрита. Виноград-
ский добился важного прогресса в методологии, как
прямого следствия его понимания автотрофной природы
организмов. Его более ранние исследования
микроорганизмов, окисляющих серу и железо, обеспечили
достаточный опыт, чтобы обосновать его предположение об
аналогичных автотрофных свойствах нитрифицирующих
бактерий. Используя чисто минеральный субстрат и
даже специально очищенный образец сульфата аммония,
он сумел в конце концов получить чистые культуры и
установить их автотрофную природу. Виноградский
открыл ряд бактерий, окисляющих аммоний и нитрит,
отличавшихся и морфологически и по особенностям
роста. Около 40 лет позже в сотрудничестве с Еленой
Виноградской он [43] составил обзор имеющейся
информации о нитрифицирующих организмах и после
ознакомления с работами других ученых заявил, что данные
об этих организмах мало обогатились со времени его
собственных ранних исследований. Он высказал
сожаление, что не нашлось никаких новых методов изучения,
которые могли бы быть полезными в оценке их роли в
природе или в проверке нитрифицирующей способности
почв. Чистые штаммы, полученные Виноградским, были
отнесены к трем родам: Nitrosomonas с оптимальным
рН от 8,6 до 9,2, характерные для хорошо удобренных
почв; Nitrosocystis с оптимальным рН 7,4—7,8,
типичные для лесных почв, и Nitrosospira с оптимальным рН
7,0—7,2, штаммы которых встречаются только в бедных
целинных почвах. Эти разные роды окислителей
аммония можно было разделить на чашках с силикагелем,
покрытых слоем мела, основного карбоната магния или
фосфата магния-аммония, используя, таким образом,
субстрат, полностью свободный от органических
веществ. Ни один из видов не рос при рН ниже 6,0, и
Виноградский приписывал наибольшую активность видам
Nitrosomonas, меньшую — видам Nitrosocystis и наи-
169
меньшую — видам Nitrosospira. Он полагал, что обилие
Nitrosomonas указывает на активный режим
нитрификации. В пахотных почвах численность
нитрифицирующих бактерий обычно составляет несколько тысяч на 1 г
почвы, и единственная среда, в которой они достигают
значительной численности, был активированный осадок
сточных вод, где их популяцию можно было исчислять
в миллионах на 1 г. Бактерий, окисляющих нитриты,
узнают по их росту на минеральном силикагеле,
покрытом смесью каолина с мелом, образующей сходную с
фарфором поверхность, на которой довольно хорошо
заметны их крошечные буровато-желтые колонии. В
противоположность этому колонии, образуемые бактериями,
окисляющими аммоний, окружены прозрачной зоной,
возникающей в результате растворения мела
образующейся азотистой кислотой. Бактерии, окисляющие
нитрит, подавляются умеренными количествами аммония,
особенно при щелочной реакции. Виноградские считали
ошибочные методы основной причиной появления
отдельных сообщений о гетеротрофных нитрификаторах.
В настоящее время еще через 40-летний период, в
течение которого бесспорно гораздо больше
исследований было посвящено автотрофным нитрифицирующим
бактериям, относительно немного было добавлено к
нашим знаниям до совсем недавнего времени. Больше
того, целый ряд исследований был простым
дублированием и мало что добавил к данным, известным уже Ви-
ногр адским.
7.2. ВЫДЕЛЕНИЕ И МЕТОДЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ
После признания автотрофной природы нитрифика-
торов и с расширением знаний их физиологии методы
для выделения и выращивания этих организмов
основывались на использовании чисто минерального
субстрата, и именно, воспользовавшись силикагелем, Виноград-
скому удалось приготовить субстрат, свободный от
органических веществ и, таким образом, свести к минимуму
загрязнение гетеротрофными загрязнителями. Бактерии,
окисляющие аммоний, требуют субстрата с небольшими
количествами магния, кальция и фосфора и следов
железа. Иногда добавляют хлористый натрий, но он не
необходим, за исключением морских нитрификаторов,
хотя и не всегда служит полноценным заменителем мор-
170
ской воды. Сомнительна потребность в следах меди,
однако окислителям нитрита требуются ничтожные
количества молибдена [6, 44]. Медленный рост нитрифи-
каторов, возможно, обусловленный малым количеством
энергии, освобождаемой при окислении аммония или
нитрита по сравнению с окислением углеродных
соединений, по-видимому, объясняет и слабый рост клеток.
Поддержание подходящего значения рН и достаточная
аэрация — это два другие главные условия для роста.
Подготавливая накопительную культуру, целесообразно
использовать лишь умеренные концентрации
аммонийных солей или нитрита (предпочтительно менее 0,1%),
но по мере усиления роста можно добавить больше
субстрата. Виноградский выбирал мало растворимые
буферы, такие, как карбонат кальция, фосфорнокислый
магний-аммоний или основной карбонат магния, потому
что их избыток можно было использовать, тогда как,
применяя растворимые карбонаты, например карбонат
натрия, необходимо избегать их избытка, чтобы рН
оставался всегда ниже 8,5. Когда подобный
нерастворимый буфер имеется в жидкой среде, клетки большей
частью адсорбируются на его частицах и надосадочный
раствор может казаться прозрачным. Однако это вовсе
не значит, что адсорбция на твердых частицах вообще
необходима для роста нитрификаторов, как когда-то
предполагалось. Нитрифицирующие бактерии так же
хорошо растут и в субстрате, свободном от нерастворимых
частиц, например мела.
При выращивании бактерий, окисляющих аммоний,
на чашках с силикагелем, припудренным мелом или
карбонатом магния, образующаяся азотистая кислота
растворяет карбонаты, и благодаря этому крошечные
колонии, окруженные прозрачной зоной, могут быть
опознаны и сосчитаны. Многие исследователи использовали эту
методику после Виноградского, и ее слегка
видоизмененный вариант недавно был подробно описан Сориано
и Уокером [27]. Эта методика пригодна для подсчета
нитрифицирующих бактерий, окисляющих аммоний, и
неоднократно сообщалось о сравнениях ее с
альтернативным методом разводок для определения наиболее
вероятной численности (см., например [9,22]). Преимущества
чашечного метода в том, что после подсчета
организмы можно выделить путем пересева [26, 27]. Чистые
культуры нитрифицирующих бактерий могут быть полу-
171
чены обычным чашечным методом или при разведении
накопительной культуры до тех пор, пока объем,
используемый для инокуляции, будет содержать только
одну или две клетки; при этой методике инокулируют
большое число пробирок. После инкубации (обычно
2—3 недели) некоторые из пробирок будут содержать
чистые культуры. Во всяком случае, эти методы очень
трудоемки вследствие медленного роста организмов и
необходимости проверки чистоты полученных культур,
но метод с пересевом колоний иногда быстрее дает
удовлетворительные результаты. Первоначально Виноград-
ский выделял чистые культуры из накопительных
культур на силикагеле, пересевая клетки из участков сили-
кагеля, видимо, свободных от колоний. Это была
методика «отрицательного посева». Чистые культуры
окислителей нитрита лучше всего можно получить, высевая
подходящую накопительную культуру на среду из
минеральных солей, нитрита и промытого и очищенного
агара; после инкубации вероятные колонии можно отобрать
микропипеткой. Использовались также субстраты,
содержащие определенные антибиотики для подавления
гетеротрофных загрязнителей.
7.3. КЛАССИФИКАЦИЯ НИТРИФИЦИРУЮЩИХ
БАКТЕРИЙ
Виноградский описал не менее шести родов
нитрифицирующих бактерий — три рода окислителей
аммония и три — нитрита, и до недавнего времени они
оставались общепризнанными, хотя лишь немногие
исследователи изучали другие виды, помимо Nitrosomonas и
Nitrobacter. В седьмом издании определителя Берджи
[2] автотрофные нитрифицирующие бактерии включены
в семейство Pseudomonadaceae, что нельзя считать
удачным, потому что Nitrosomonas europaea — это, вероятно,
единственный вид, примерно соответствующий описанию
псевдомонад. (Классификация всей этой группы
организмов в настоящее время пересматривается
для следующего издания определителя Берджи;
см. [36].)
В последние годы были выделены новые виды нитри-
фикаторов, в частности, Уотсоном и его коллегами в
Океанографическом институте в Вудс Хоул; ряд видов,
первоначально выделенных Виноградским, был выделен за-
172
ново, и, таким образом, теперь бесспорно установлена
реальность определенных родов этих хемолитотрофов.
Таким образом, стремление некоторых исследователей
(например, Биссетта и Грейса [3] исключить все
роды, кроме видов Nitrosomonas и Nitrobacter, как
несуществующие должно быть отвергнуто. Не описывая
подробностей каждого случая выделения нитрификаторов,
мы попытаемся суммировать современные знания о
таксономии признанных родов и видов.
ОКИСЛИТЕЛИ АММОНИЯ
Виноградскими сообщалось о пяти родах
окислителей аммония, а именно: Nitrosomonas, Nitrosocystis,
Nitrosococcus, Nitrosospira и Nitrosogloea. По согласо-'
ванию с Уотсоном (частное сообщение) последний род
Nitrosogloea, в котором Елена Виноградская [40]
различала три вида — N. merismoides, N. schizobacteroides
и N. membranacea — все выделенные из активного ила
должны рассматриваться как сомнительные, а их
названия отвергнуты на том основании, что зооглейные
образования не могут считаться надежными,
устойчивыми признаками, и, кроме того, вышеуказанные три
вида не были описаны достаточно точно, чтобы их
можно было безошибочно определить повторно. Не всегда
ясно, что подразумевается под инцистированием,
свойством, которое предположительно должно
характеризовать род Nitrosocystis или Nitrocystis. Образование
агрегатов клеток, иногда заключенных в какой-то футляр
или оболочку, наблюдалось в различных культурах,
часто загрязненных. Как следствие имеется некоторое
сомнение в отношении этого названия. Тем не менее
название Nitrosocystis coccoides все еще, видимо, правильно.
Типичный штамм этого вида был выделен из лесной
почвы Ромеллем [20], работавшим в лаборатории Вино-
градского, и описан как образующий твердые тела
диаметром до 0,5 мм. Почти нет сомнений, что Nitrosocystis
javanensis, описанный Виноградским, следует считать
видом Nitrosomonas, и это оставляет Nitrosocystis
coccoides единственным реальным представителем этого
рода. Некоторую путаницу внес Виноградский,
перекрестивший свой оригинальный цюрихский штамм
Nitrosomonas europaea в Nitrosocystis sp., а затем сначала
Имшенецкий и позже Грейс, считавшие главным образом
173
на основании косвенных доказательств, что культура Ро-
мелля была загрязнена видом миксобактерий. Сориано и
Уокер [27] выделили ряд штаммов Nitrosocystis coccoides
из почвы. Морфологически они отличались от Nitrosomo-
nas тем, что имели неправильную тупую палочковидную
форму, дергались при движении и образовывали твердые
колонии на силикагеле или на промытых агаровых
пластинках; эти колонии часто можно сдвинуть по
поверхности пластинки микропипеткой, не разрушая их. Один
штамм, выделенный около 10 лет назад из почвы, взятой с
делянки Степного заповедника Ротамстедской станции,
оказался идентичным морфологически по тонкой
структуре и отношению оснований ДНК (процентное
содержание Г+Ц) штамму, выделенному Уотсоном и др.
[39]. Уотсон предложил переименовать этот организм
в Nitrosolobus multiformis на основании его своеобразной
морфологии, но решения по этому вопросу пока нет.
Ранее Уотсон [34] выделил морской нитрифицирующий
организм, который он назвал Nitrosocystis oceanus nov.
sp., но позже он предложил переименовать его в Nitro-
sococcus oceanus, поскольку это действительно крупный
кокк. Как следствие род Nitrosococcus будет включать
все сферические нитрифицирующие организмы
диаметром 1,5 мкм и больше. Кроме того, Уотсон предложил
рассматривать Nitrosocystis coccoides как синоним
Nitrosococcus nitrosus. Это вряд ли оправдано ввиду
различий между Nitrosocystis coccoides (или Nitrosolobus
multiformis, как предлагали Уотсон и др.) и
Nitrosococcus nitrosus, который был выделен в годы после Вино-
градского Симсом и Коллинсом [22] и Сориано [25].
Колонии N. nitrosus на промытых агаровых
пластинках— это гладкие, округлые, мягкие колонии, легко
распадающиеся при проколе микропипеткой, причем
содержимое колонии всасывается в пипетку капиллярными
силами. Это совсем не похоже на поведение колоний
Nitrosocystis coccoides. Имеются также различия в
процентном содержании Г+Ц их ДНК. Согласно расчетам
по определению Тт («точка плавления») препаратов
ДНК, штаммы Nitrosocystis coccoides из Степного
заповедника Ротамстедской станции имели ДНК с 55,2+0,5%
Г+Ц, тогда как ДНК из штамма Nitrosococcus
nitrosus, выделенного Сориано, содержала 45,4% Г+Ц.
Темп роста N. nitrosus и Nitrosomonas europaea был
очень сходным, и время удвоения численности состав-
174
Рис. 21. Электронная микрофотография Nitrospira sp., выделенного
из почвы Шпицбергена. Негативное окрашивание ацетатом урани-
ла; Х25 000 с уменьшением на 2/3 при репродукции.
ляло у них около 11—12 ч при 25°С, но первая бактерия
это более крупный организм, как доказано
определениями массы сухого вещества культур. Nitrosomonas — это
род, включающий палочковидные организмы,
окисляющие аммоний до нитрита, и два вида указаны в
определителе Берджи [2]—N. еигораеа и N. топосейа — но,
согласно Уотсону, эти два вида достаточно сходны,
чтобы их рассматривать как один. N. javanensis может
быть синонимом N. еигораеа, и, по-видимому, нет
никакого основания рассматривать N. oligocarbogenes [5]
как отдельный вид только на основании иного
отношения 70 : 1 окисляемого азота к усвоенному углероду
у этой бактерии по сравнению с 35 : 1 у N. еигораеа.
Штамм Nitrosomonas, выделенный автором из
активного ила несколько лет назад, оказался идентичным по
процентному содержанию Г+Ц в ДНК и по тонкой
структуре со штаммом, выделенным Уотсоном из
чикагских сточных вод. Эти изоляты несколько крупнее ти-
175
пичных штаммов N. europaea и обладают заметными
связями между делящимися клетками. Под электронным
микроскопом можно видеть две или иногда больше
клеток, связанных между собой без видимых разделяющих
их поперечных стенок. Эти морфологические отличия,
возможно, оправдывают выделение этих штаммов в
отдельный вид. Наконец, имеется род Nitrosospira,
который, по Виноградскому, включает два штамма — N. bri-
ensis и N. antarctica. Уотсон [35], который недавно
сообщил о выделении одного вида Nitrosospira,
справедливо рассматривает эти два вида как идентичные и
предлагает пользоваться видовым названием
Nitrosospira briensis для типового вида. Виды Nitrosospira были
выделены несколько лет назад также Сориано, Палле-
рони и Уотсоном. Кроме того, по-видимому, имеются
доказательства, что виды Nitrosospira, которые не могут
быть исключены только на основании сомнений в
точности их определения, могут широко встречаться в
пахотных или в девственных почвах [27]. Спиральный
рост этих видов не выявляется фазово-контрастным
микроскопом, но хорошо определяется под электронным
микроскопом. Организм не обладает хорошо развитой
системой клеточных мембран, характерной для других
окислителей аммония.
ОКИСЛИТЕЛИ НИТРИТА
Организмы из рода Nitrobacter (по
Виноградскому) — это короткие палочки шириной 0,6—0,8 мкм и
длиной 1—1,2 мкм, часто грушевидной или клиновидной
формы, они грамотрицательны и размножаются
почкованием [45]. Nitrobacter winogradskyi признан типовым
видом. Нельсон [17] описал подвижный вид
Nitrobacter с длинным полярным жгутиком и посчитал его но-
ным видом N. agilis, но весьма вероятно, что он
идентичен N. winogradskyi. Подвижность часто нелегко
наблюдать у этих организмов, и ее наличие или отсутствие
не служит достаточным основанием для утверждения
нового вида. Примерно в 20 чистых культурах видов
Nitrobacter, выделенных из почв Ротамстедской
станции, Сориано и Уокер [27] наблюдали подвижность у
всех на той или иной стадии их роста. При
выращивании в водных культурах многие штаммы Nitrobacter
после нескольких дней роста образуют тонкую пленку
176
на поверхности среды, и эта^пленка обычно настолько
гидрофобна, что распространяется вверх по краям
пробирки. Клетки содержатлипиды [4], которыми, возможно,,
и объясняется гидрофобность. У других
микроорганизмов (например, видов Nocardia), также богатых липи-
дами, наблюдается такое же явление. Недавно Уотсон
и Уотербери [37] выделили две новые, морфологически
интересные, окисляющие нитрит бактерии из морской
воды. Nitrospina gracilis nov. gen. nov. sp. была
выделена из воды Атлантического океана и оказалась
длинной, гибкой, неподвижной, грамотрицательной палочкой;,
типичная цитомембранная система у нее отсутствовала.
Nitrococcus mobilis nov. gen. nov. sp. был выделен из
пробы морской воды, взятой в Тихом океане близ
Галапагосских островов. Этот организм был крупным
подвижным кокком, растущим отдельно, в парах или в
небольших агрегатах, скрепляемых слизью. Его клетки
были грамотрицательными, диаметром около 1,5—
1,8 мкм и обладали уникальной трубчатой цитомем-
бранной системой, причем трубчатые мембраны были
бессистемно распределены во всей клетке. Оба эти
организма были строго автотрофными и оптимально росли при
25—30°С и рН 7,5—8,0. Эти виды кажутся редкими,
и, по-видимому, преобладающим окислителем нитрита в.
морской воде является Nitrobacter.
7.4. БИОХИМИЯ НИТРИФИКАЦИИ
Пока наши знания биохимии нитрифицирующих
бактерий ограниченны. За исключением Nitrobacter wino-
gradskyi, все эти бактерии — строгие автотрофы,
получающие нужный им углерод из СОг, а энергию — от
окисления соответственно аммония или нитрита. Таким
образом, нитрифицирующие бактерии синтезируют все
свои органические компоненты, включая белки,
ферменты, нуклеиновые кислоты, пигменты цитохрома и т. д.
из СОг. Первыми биохимическими исследованиями были
работы Мейерхофа [15], который определил
оптимальный рН для окисления аммония отмытыми клетками
Nitrosomonas и для окисления нитрита отмытыми
клетками Nitrobacter. Он изучил также влияние на клетки
Nitrosomonas и Nitrobacter различных органических
соединений, ряд которых обладал сильным ингибиторным
действием, как, например, наркотики, а также такие
12 Почвенная микробиология
177
амины, как гуанидйн, аминогуанидин, анилин, р-нитро-
анилин и р-нитрозодиметиланилин. Бемеке [5]
обнаружил у отмытых клеток Nitrosomonas небольшую, но
измеримую степень поглощения 02, т. е. дыхание
периода покоя или эндогенное. В этом нетрудно убедиться,
вырастив достаточное количество клеток в прозрачной,
свободной от осадка среде [23]. Нитрифицирующие
бактерии, как строгие аэробы, подавляются также
соответствующими агентами, препятствующими действию ци-
тохром-оксидазы или каталазы, например цианидами,
цианатами, азидами, хлоратами и некоторыми хелатооб-
разующими соединениями. Таким образом, хотя их
важнейшим источником энергии служит окисление
неорганических веществ, метаболизм самих клеток сравним с
метаболизмом гетеротрофных организмов [29]. Более
поздние исследования показали, что С02
ассимилируется по циклу Келвина, характерному для растений и ряда
других автотрофных микроорганизмов, и там, где
энергия, необходимая для восстановления С02, получается
от восстановленных ди- и трифосфопиридиннуклеотидов.
Первичная энергетическая реакция нитрификаторов,
конечно, совершенно специфична для этих организмов
(хотя некоторые бактерии, окисляющие метан, способны
окислять также и аммоний до нитрита при
выращивании их в присутствии СН4, С02 и 02 [11].
Путь окисления аммония можно обобщить, указав,
что первым промежуточным продуктом, по-видимому,
бывает гидроксиламин даже хотя имеются
определенные различия в устойчивости аммония и окисляющих
гидроксиламин систем клеток Nitrosomonas, Гидроксил-
аламин окисляется до нитрита, только когда его
концентрация не превышает примерно 1/3000 М.
Теоретически возможна по меньшей мере еще одна фаза
окисления между гидроксиламином и нитритом, но это еще не
доказано. Возможная природа таких промежуточных
продуктов подробно обсуждалась Лисом [13]. Клуйвер
и Донкер (см. [13]) впервые в 1926 г. сформулировали
лоэтапное окисление аммония следующим образом:
NH3-*NH20H-*H2N202 или ->НШ2
NH(OH)2
Идентичность промежуточного продукта между
гидроксиламином и нитритом все еще остается предметом
предположений, так как доказательства существования
178
гипонитрита неубедительны, а дигидроксиаммоний
слишком нестойкое вещество, чтобы его можно было
получить. Попытки выделить и очистить ферментную
систему, окисляющую аммоний, пока не удавались.
Различные исследователи получали свободные от клеток
препараты, с помощью которых были получены очень
малые количества нитрита из аммония, но они не дали или
почти не дали сведений о природе участвующих
ферментных систем. Когда клетки Nitrosomonas
разрушаются ультразвуком или механическим путем, их
способность окислять аммоний теряется, но остается некоторая
способность окисления гидроксиламина, хотя
образование нитрита объясняет только часть окисленного
гидроксиламина. Рис [18, 19] частично очистил оксидазу
гидроксиламина из Nitrosomonas europaea и изучил
некоторые ее свойства. Уотсон, Асбелл и Валуа [38]
также продемонстрировали окисление аммония до нитрита
свободными от клеток препаратами Nitrosocystis ocea-
nus, когда ее клетки были разрушены в присутствии
буфера, АТФ, ионов Mg++ и фосфата, В последние годы
было больше сообщений об органическом метаболизме
автотрофных нитрификаторов, особенно о
функционировании восстановительного пентозо-фосфатного цикла,
участвующего в ассимиляции СОг [12].
Пока мало известно о ферментных системах
окисления нитрита, хотя сообщалось о свободных от
клеток активных препаратах (см., например [1]). С
другой стороны, виды Nitrobacter способны к
гетеротрофному метаболизму и росту, даже если рост происходит
медленнее на таком источнике органического углерода,
как производные уксусной или муравьиной кислот. На
смеси нитрита и солей муравьиной кислоты Nitrobacter
рос быстрее, чем на солях только муравьиной кислоты,
но все же медленнее, чем только на нитрите. Клетки
Nitrobacter могут усваивать ацетат и определенные
аминокислоты, как это было показано в опытах с
соединениями, меченными 14С, так что виды Nitrobacter следует
считать факультативными автотрофами [24]. Виды
Nitrosocystis обладают уреазной активностью и могут
расти на мочевине — свойство, которым не обладает
Nitrosomonas. Рост на солях муравьиной кислоты вполне
может быть этапом в эволюции автотрофности, так же
как использование соединений с одним атомом углерода
представляет развитие от полной зависимости от СОг.
12*
179-
Группы автотрофов, окисляющих аммоний и
окисляющих нитрит, это строго аэробные организмы, и они
зависят от цитохромных систем [14] для конечного
переноса электронов к кислороду. Клетки обеих групп
нитрификаторов богаты цитохромами типов а, Ь, с и о,
которые придают темно-красную окраску осадку клеток,
отмытых центрифугированием. Много цитохромного
материала легко освобождается, когда густые клеточные
суспензии подвергают попеременному замораживанию
и оттаиванию [23].
В рамках статьи невозможно перечислить все
недавние публикации, относящиеся к биохимии хемолитотро-
фов, но здесь, очевидно, имеется большой простор для
дальнейших детальных исследований, особенно природы
ферментов, окисляющих аммоний и нитрит.
7.5. НИТРИФИКАЦИЯ В ПОЧВЕ
Несмотря на различные сообщения о
нитрифицирующей способности гетеротрофных организмов, включая
грибы, нет сомнения, что нитрификация в почве
осуществляется преимущественно автотрофными
нитрифицирующими бактериями. Если имеются нормальные условия
для деятельности микроорганизмов (т. е.
достаточная влажность, подходящие условия аэрации,
благоприятное значение рН и источник питательных веществ),
то автотрофные нитрифицирующие бактерии можно
обнаружить везде, где имеются в наличии аммоний и
нитрит. Численность нитрификаторов в большинстве почв
никогда не бывает очень большой — обычно несколько
тысяч на 1 г плодородной пахотной почвы, возможно,
вследствие их медленного роста [16] и потребности в
значительных количествах аммония или нитрита в
качестве источников энергии [27]. При благоприятных
условиях численность нитрификаторов в значительной
мере зависит от наличного количества аммония, и,
таким образом, численность на полях орошения или в
активном иле может быть гораздо выше, чем в почвах.
Нитраты легко вымываются из почвы, тогда как
аммоний лучше адсорбируется и удерживается на
поверхности частиц глины. Как следствие делались попытки
подавить нитрификацию, чтобы предотвратить потерю азота
удобрений из почвы. Горинг [7] сообщал об использовании
N-serve (2-хлор-6-трихлорметил-пиридин) для подавле-
180
ния нитрификации в почве. Это эффективное средство,
но со временем такое вещество может быть разложено
почвенными микроорганизмами и таким образом
утратить эффективность. Использование подобных
соединений требует тщательного учета всех факторов, включая
время года, свойства почвы, осадки, культуры и т. д.
Время от времени выдвигались предположения, что
некоторые растения, в частности злаки, могут подавлять
нитрификаторов в почве вблизи своих корней. До
настоящего времени нет убедительных доказательств
выделения каких-либо специфических токсических
веществ из корней таких растений. Более вероятно, что
плотное переплетение тонких корней, характерное для
многих злаков, препятствует доступу кислорода в почву
и таким образом снижает уровень аэрации,
требующийся для нитрификаторов.
Условия, благоприятные для нитрифицирующих
бактерий, в значительной мере благоприятны также и для
роста растений, особенно хорошая аэрация,
нейтральный рН и обеспечение азотом. Это иногда давало повод
к предположениям, что наличие активного режима
нитрификации в почве может служить полезным
показателем почвенного плодородия, но химические методы
оценки плодородия почвы, вероятно, более
предпочтительны. Экологические исследования распределения
нитрифицирующих бактерий иногда показывали
небольшую способность адаптации нитрификаторов к
изменчивым почвенным условиям, особенно в отношении
оптимального рН [28]. Однако наши знания экологии
нитрификаторов все еще очень отрывочны, особенно в
отношении условий обитания и распределения различных
видов и родов, и поэтому желательны дальнейшие
исследования этих интересных организмов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Aleem M.-I. Н., Alexander M. Cell-free nitrification by
Nitrobacter, J. Bacteriology, 76, 510—514 (1958).
2. Bergey's Manual of Determinative Bacteriology, 7th edition. Bail-
Here, Tindall and Cox, London (1957).
3. В i s s e 11 K. A., Grace J. B. The nature and relationships of
autotrophic bacteria, in Autotrophic Micro-organisms: 4th
Symposium of the Society for General Microbiology. Cambridge
University Press (1954).
4. Blumer M., Chase Т., Watson S. W. Fatty acids in the
lipids of marine and terrestrial nitrifying bacteria, /. Bacteriology,
99, 366—370 (1969).
181
5. В 6 m е к е Н. Beitrage zur Physiologie nitrifizierender Bakterien,
Archiv fur Mikrobiologie, 10, 385—445 (1939).
6. F i n s t e i n M. S., D e 1 w i с h e С. С Molybdenum as a micro-
nutrient for Nitrobacter, J. Bacteriology, 89, 123—128 (1965).
7. G о r i n g C. A. Control of nitrification of ammonium fertilisers
and urea by 2-chloro-6-(trichloromethyl) -pyridine, Soil Science,
93, 431—439 (1967).
8. Gould G. W„ Lees H. The isolation and culture of the
nitrifying organisms. Part 1. Nitrobacter, Canadian J. Microbiology, 6r
299—307 (1960).
9. H о f 1 i с h G. Moglichkeiten zur quantitativen Ermittlung der
Nitrificationsbakterien, Zentralblatt fur Bakteriologie, Parasiten-
kunde, Infektionskrankheiten und Hygiene, lite Abteilung, 123„
138—146 (1969).
10. Ho f man Т., Lees H. Biochemistry of the nitrifying
organisms. 4. The respiration and intermediary metabolism of Nitrosc-
monas, Biochemical J., 54, 579—583 (1953).
11. H u 11 о n W. E., Z о b e 11 С. Е. Production of nitrite from
ammonia by methane oxidizing bacteria, /. Bacteriology, 65, 216—219
(1953).
12. Kelly D. P. Autotrophy: concepts in lithotropic bacteria and
their organic metabolism, Annual Review of Microbiology, 25„
177—210 (1971).
13. Lees H. The biochemistry of the nitrifying bacteria, in
Autotrophic Micro-organisms, 84—98 Cambridge University Press (1954).
14. Lozinov А. В., Ermachenko V. A. The physiological role
of cytochrome in nitrite bacteria, Microbiology, 31, 788—793
(1963).
15. Meyerhof O. Untersuchungen uber den Atmungsvorgang
nitrifizierender Bakterien. HI. Die Atmung des Nitritbildners und ihre
Beeinflussung durch chemischen Substanzen, Pfliigers Archiv fur
Physiologie, 166, 240—242 (1917).
16. Мог ill L. G., Dawson J. E. Growth rates of nitrifying che-
moautotrophs in soil, /. Bacteriology, 83, 205—206 (1962).
17. Nelson D. H. Isolation and characterization of Nitrosomonas
and Nitrobacter, Zentralblatt fur Bakteriologie, Parasitenkunde und
Infektionskrankheiten, lite Abteilung, 83, 280—311 (1931).
18. R e e s M. K. Studies of the hydroxylamine metabolism of
Nitrosomonas europaea. I. Purification of hydroxylamine oxidase, Bio-
chemistry, 7, 353—366 (1968).
19. Rees M. K. Studies of the hydroxylamine metabolism of
Nitrosomonas europaea. H. Molecular properties of the electron-
transport particle, hydroxylamine oxidase, Biochemistry, 7,
366—372 (1968).
20. R о m e 11 L. G. En nitrikbakterie ur Svensk Skogsmark, Medde-
landen fran Statens Skogsforsoksanstalt (Stockholm), 24, 57—6&
(1928).
21. Schloesing Т., Mu ntz A. Sur la nitrification par les
ferments organises, Comptes Rendues de VAcademie des Sciences
(Paris), 84, 301—303 (1877).
22. S i m s С. М., С о 11 i n s F. M. The numbers and distribution of
smnionia-oxidizing bacteria in some Northern Territory and South
Australian soils, Australian J. Agr. Res., 11, 505—512 (1960),
182
23. S к i n n е г F. A., W a 1 к е г N. .Growth of Nitrosomonas europaea
in batch and continuous culture, Archiv fur Mikrobiologie, 38,
339—349 (1961).
24. S m i t h A. J., H о a r e D. S. Acetate assimilation by Nitrobacter
agilis in relation to its 'obligate autotrophy\ /, Bacteriology, 95,
844—855 (1968).
25. S о r i a n о S. Re-isolation of the Nitrosocossus of Winogradsky,
Annates de Vlnstitut Pasteur (Paris), 105, 349—352 (1963).
26. S о r i a n о S., W a 1 к е г N. Isolation of ammonia-oxidizing
autotrophic bacteria, /. Applied Bacteriology, 31, 493—497 (1968).
27. S о r i a n о S., W a 1 к е г N. The nitrifying bacteria in soils from
Rothamsted classical fields and elsewhere, /. Applied Bacterio-
logy, 36, 523—529 (1973).
28. U Гу a nova О. М. Adaptation of Nitrosomonas to existence
conditions on various natural substrates, Microbiology, 30, 216—220
(1961).
29. Wallace W., Knowles S. E., N i с h о 1 a s D. J. D.
Intermediary metabolism of carbon compounds by nitrifying bacteria,
Archiv fur Mikrobiologie, 70, 26—42 (1970).
30. Warington R. On nitrification, /. Chemical Society, 33, 44—51
(1878).
31. Warington R. On nitrification, Part II, /. Chemical Society,
35, 429—456 (1879).
32. Warington R. On nitrification, Part III, /. Chemical Society,
45, 637—672 (1884).
33. W a r i n g t о n R. On nitrification, Part IV, /. Chemical Society,
59, 484—529 (1891).
34. W a t s о n S. W. Characteristics of a marine nitrifying
bacterium Nitrosocystis oceanus nov. sp., Limnology and Oceanography,
10 (SuppL), 274—289 (1965).
35. W a t s о n S. W. Re-isolation of Nitrosospira briensis S.
Winogradsky and H. Winogradsky 1933, Archiv fur Mikrobiologie, 75,
179—188 (1971).
36. W a t s о n S. W. Taxonomic considerations of the family Nitro-
bacteraceae Buchanan, International Journal of Systematic
Bacteriology, 21, 254—270 (1971).
37. W a t s о n S. W., Waterbury J. B. Characteristics of two
marine nitrite-oxidising bacteria, nitrospina gracilis nov. gen. nov.
sp. and Nitrococcus mobilis nov. gen. nov. sp., Archiv fur
Mikrobiologie, 77, 203—230 (1971).
38. W a t s о n S. W., A s b e 11 M. A., V a 1 о i s F. W. Ammonia
oxidation by cell-free extracts of Nitrosocystis oceanus,
Biochemical and biophysical Research Communications, 38, 1113—1119
(1970).
39. W a t s о n S. W., Graham L. В., R e m s e n С. С, V a 1 o-
is F. W. A lobular ammonia-oxidizing bacterium, Nitrosolobus
multiformis nov. gen. nov. sp., Archiv fur Mikrobiologie, 76,
183—203 (1971).
40. Winocradsky H. Contribution a l'etude de la microflore ni-
trificatrice des boues activees de Paris, Annates de Vlnstitut
Pasteur, 58, 326—340 (1937).
41. Winogradsky S. Recherches sur les organismes de la
nitrification, Annates de Vlnstitut Pasteur (Paris), 4, 213—231
(1890).
183
42. Winogradsky S. Recherches sur Ies organismes de la
nitrification, 2e Memoire, Annates de'l-Institut Pasteur (Paris), 4,
257—275 (1890).
43. Winogradsky S., Winogradsky H. Nouvelles
recherches sur les organismes de la nitrification, Annates de VInstitut
Pasteur (Paris), 50, 350—432 (1933).
44. 3 а в а р з и н Г. А. Участие молибдена в окислении нитритов
нитрифицирующими бактериями. Доклады АН СССР, 113, 1361—
1362 (1957).
45. Заварзин Г. А., Легунькова P. The morphology of
Nitrobacter winogradsky, J. General Microbiology, 21, 186—190
(1959).
46. Autotrophic Micro-organisms' 4th Symposium of the Society for
General Microbiology (ed. by B. A. Fry, J. L. Peel). Cambridge
University Press (1954).
47. L e e e s H. Biochemistry of Autotrophic Bacteria. Butterworths,
London (1955).
48. E n g e 1 H. Die Nitrifikanten, in Handbuch der Pflanzenphysio-
logie (ed. by W. Ruhland) Volume 5/2, 664—681. Springer-Ver-
lag, Berlin (1960).
49. Meikle j oh n J. The nitrifying bacteria: a review, /. Soit
Science, 4, 59—68 (1953).
50. L a r s e n H. Chemosynthesis, in Handbuch der Pflanzenphysio-
logie (ed. by W. Ruhland) Volume 5/2, 613—648, Springer-Ver-
lag, Berlin (1960).
51. Peck H. D., Jr. Enegry-coupling mechanisms in chemolithotro-
phic bacteria, Annual Review of Microbiology, 22, 489—518
(1968).
8
ПОЧВЕННЫЕ ПРОСТЕЙШИЕ-
МЕЛЬЧАЙШИЕ ЖИВОТНЫЕ ПОДЗЕМНОЙ
МИКРОСРЕДЫ
Дж. Ф. ДАРБИШИР (J. F. DARBYSHIRE)
8.1. РАЗВИТИЕ ПОЧВЕННОЙ ПРОТОЗООЛОГИИ
Хотя многие биологи XIX в. обнаруживали
простейших в почве, их только в нынешнем столетии широко
признали активными компонентами почвенного
сообщества. Многочисленные опыты Расселла и его коллег в
годы с 1905 по 1913 с использованием почвы,
обработанной нагреванием или химикатами, подобными
толуолу или хлороформу, послужили толчком для такого
изменения точки зрения. Расселл [59] первоначально
занимался зависимостью между плодородием почвы и
поглощением ею кислорода. Он установил, что и то и
другое сильно снижалось, если почва предварительно
нагревалась до 120°С. В одном случае, когда
температура поднялась только до 95°С, потому что
стерилизатор был неисправен, скорость окисления была
значительно выше, чем в необработанной почве [17]. Этот
неожиданный результат побудил провести серию
опытов, оказавших значительное воздействие на
практическое садоводство, так же как и на почвенную
протозоологию. Урожаи растений и степень окисления заметно
увеличивались после такой так называемой частичной
стерилизации. Расселл и Хетчинсон [60, 61] пришли к
выводу, что это повышение почвенного плодородия
было вызвано главным образом удалением какого-то
неблагоприятного биологического фактора. Они
предположили, что этим фактором было поедание бактерий
популяцией почвенных простейших. Хотя современное
объяснение влияния частичной стерилизации (см.
главу 11) показывает, что такое толкование неточно, их
гипотеза была достаточно противоречива, чтобы
пробудить новый интерес к этим животным. По этой гипотезе
предполагалось, что в почве имеются трофические про-
185
стейшие и что существует обратная зависимость между
почвенными популяциями бактерий и простейших.
Наличие активных простейших было вскоре
продемонстрировано Мартином и Левиным [45]. После того как
были разработаны улучшенные методы подсчета
почвенных простейших [9, 10], был начат ряд исследований
популяций бактерий и простейших в лабораторных
культурах и в полевых условиях. Популяции одного
или двух видов бактерий в предварительно простерили-
зованной почве часто подавлялись активными
популяциями одного вида простейших [11, 67]. В опытах с
участием более сложных смесей видов
микроорганизмов часто не имелось никакой простой зависимости
между популяциями бактерий и простейших [70]. Об
одном заметном исключении было сообщено Катлером,
Крампом и Сендоном [16]. Они установили,что70% из
339 последовательных ежедневных подсчетов обычной
амебы Naegleria gruberi в хорошо удобренной почве
(Барнфилд на Ротамстедской опытной станции)
достоверно отрицательно коррелировали с бактериальной
популяцией тех же самых почвенных образцов. Постепенно
было выяснено, что почвенные простейшие не
неразборчивы в выборе своей пищи [13, 54—56, 66], а также
что они питаются не исключительно бактериями, как
предполагали Расселл и Хетчинсон. Например, Катлер
и Крамп [15] объясняли, что результаты, сообщенные
ими и Сендоном [16] «...могли быть получены, только
когда большинство подсчитываемых бактерий были
формами, охотно поедаемыми амебами, и этого могло не
произойти в каждой почве или на каждой питательной
среде. Во всяком случае наличие амеб не может
объяснить колебания в численности бактерий, которые все
же происходят в почве, полностью свободной от
простейших...» Хотя такие факторы внешней среды, как
температура и влажность почвы, оказывают некоторое
влияние на рост и активность простейших, оказалось также
невозможным найти связь большинства изменений в
популяциях простейших в полевых почвах с этими
физическими факторами [15]. Другое возражение против
гипотезы Расселла и Хетчинсона возникло после
открытия, что метаболическая активность бактериальных
культур иногда скорее стимулировалась, чем
подавлялась простейшими. Например, виды Azotobacter могут
фиксировать больше атмосферного азота в присутствии
186
почвенных простейших, чем э-их отсутствии [12, 33,48].
Смешанные культуры почвенных бактерий и простейших
могут также производить больше двуокиси углерода и
аммония, чем соответствующие монокультуры бактерий
[14,46,47].
..В первые два десятилетия после опубликования
гипотезы Расселла и Хетчинсона был достигнут
значительный прогресс в систематике почвенных простейших.
Были проведены многие исследования плотности
распределения видов простейших по отношению к
географическим, макроклиматическим и почвенным факторам.
Однако оказалось невозможным найти корреляцию между
распределением видов простейших и конкретными
географическими областями или основными почвенными
типами или с большинством факторов микросреды.
Оказалось, что почвенные простейшие космополитичны: одни
и те же виды встречались в почвах Арктики, умеренных
зон и тропиков. Ни одна из изученных почв не была
полностью свободна от простейших. В пахотных
почвах максимальное число видов обычно обнаруживали
на глубине 10—12 см ниже поверхности почвы, и очень
немногие виды были найдены в подпочве. По данным
Сендона [65], составившего обзор большинства
исследований плотности распределения, за исключением
торфянистых почв, наибольшая положительная корреляция
имелась между содержанием в почве азота и числом
видов жгутиковых, амеб и реснитчатых. Он
предположил, что фактически наиболее важным фактором было
количество доступной бактериальной пищи, поскольку
«...условия, наиболее благоприятные для развития
бактерий, это именно те условия, которые вызывают
появление наибольшего числа видов этих простейших.
Температура, влажность, реакция и сложение почвы имеют
мало значения...». Раковинные амебы были исключением,
потому что наибольшее число их видов встречалось в
кислых торфянистых почвах, где другие виды
простейших были редки.
Качество этих ранних исследований почвенных
простейших может быть полностью оценено, если
вспомнить, как мало тогда было известно о почвенной
микросреде. В нижеследующем обзоре мы попытаемся
рассмотреть почвенных простейших, насколько возможно,
с точки зрения микросреды. Более широкое обсуждение
начальной литературы имеется у Коффмана [38] и у
187
Копелоффа и Коулмена [39]. Ряд обзоров почвенной
протозоологии был опубликован в недавние годы [50* 51,
58, 68, 69, 74].
8.2. КЛАССЫ И РОДЫ ПРОСТЕЙШИХ,
ОБИТАЮЩИХ В ПОЧВЕ
Тип Protozoa включает четыре различающиеся
группы или подтипа преимущественно микроскопических
животных: Sarcomastigophora, Ciliophora, Sporozoa и
Cnidospora. Свободноживущие почвенные простейшие
относятся к первому или второму подтипу; Sporozoa и
Cnidospora — это паразиты. Современные учебники До-
гиля [20], Грелла [27], Кудо [41] и Слейга [72]
наглядно демонстрируют большое разнообразие и
сложность среди Sarcomastigophora и Ciliophora.
Схематическая классификация этих двух подтипов, предложенная
Слейгом [72], приведена в таблице 4. Порядки, не
встречающиеся в почве, выделены скобками.
Нетрудно видеть, что почвенные простейшие широко
распространены в порядках Sarcomastigophora и
Ciliophora.
Очевидным признаком всех вегетативных клеток в
классе Mastigophorea является наличие хлыстовидных
двигательных органелл или жгутиков. Этот класс
включает фотосинтезирующие водорослевые жгутиковые, их
бесцветных родственников и так называемых зоожгути-
ковых, которые, по имеющимся в настоящее время
данным, не имеют очевидного родства с водорослевыми
жгутиковыми. Из растительных жгутиковых Cryptomo-
nadida (Chilomonas, Cryptomonas, Cyathomonas, Rhodo-
monas), Chvysomonadida(Cephalothamnion, Chrysamoeba,
Mallomonas, Monas, Oikomonas, Spongomonas) и Eugle-
nida (Astasia, Distigma, Entosiphon, Euglena, Peranema,
Petatomonas, Scytomonas) хорошо представлены в
почве. Обычные почвенные зоожгутиковые относятся к
порядкам Kinetoplastida (Allantoin, Bodo, Cercobodo, Cer-
comonas, Helkesimastrix, Heteromita, Pleuromonas, Sai-
nouron, Spiromonas) и Choanoflagellida (Codosiga, Mo-
nosiga, Phalansterium, Salpingoeca).
Sarcodinea обычно имеют гибкие наружные выступы,
или псевдоподии, которые часто используются как
двигательные органеллы. Этот класс помещен в тот же
подтип, что и Mastigophorea, на основании некоторого оче-
188
Таблица 4. Классификация простейших подтипа
Sarcomastigophora и Ciliophora по Слейгу [72]. Скобки указывают
порядки, не содержащие свободноживущих почвенных видов
Подтип
Sarcomastigophora
Ciliophora
Класс
Mastigophorea
Opalinatea
Sarcodinea
Ciliatea
Подкласс
Rhizopodia
Granuloreticu-
losia
Mycetozoia
Actinopodia
Holotricha i
Peritrichia
Suctoria
Spirotrichia
Порядок
Cryptomonadida
(Haptomonadida)
Chrysomonadida
Bicoecida
Choanoflagellida
1 (Silicoflagellida)
< (Ebriida)
Xanthemonadida
Chloromonadida
Dinoflagellida
Euglenida
Phytomonadida
1 Kinetoplastida
I Metamonadida
(Opalinida)
Amoebida
Testacida
(Foraminiferida)>
Acrasida
J Heliozoida
J (Acantharida)
l (Radiolarida)
j Gymnostomatida
Trichostomatida
1 (Chonotrichida)
{ (Apostomatida)
Astomatida
Hymenostomatida-
Thigmotrichida
Peritrichida
Suctorida
[ Heterotrichida
Oligotrichida
(Tintinnida)
1 (Entodiniomor-
i phida)
1 (Odontostomaii-
1 da)
i Hypotrichida
18&
видного сродства с последними. Например, некоторые
амебы имеют и жгутики и псевдоподии одновременно
или на разных стадиях их жизненного цикла. С другой
стороны, многие жгутиковые могут образовывать
псевдоподии. Подкласс Rhizopodia состоит из голых амеб
(Amoebida) и раковинных амеб (Testacida). Последние
почти полиостью заключены в скорлупу или панцирь.
Обычные почвенные роды в порядке Amoebida — это
Acanthamoeba, Amoeba, Hartmanella, Mayorella, Naegle-
ria, Nuclearia и Vahlkampfia. Обычные почвенные роды
в порядке Testacida — это Arcella, Centropyxis, Corithion,
Difftugla, Difflugiella, Euglypha, Heleopera, Nebela, Phry-
ganella, Plagiophyxis и Trinema. В порядке Acrasida
(Myxamoebae, или слизевики) и в порядке Heliozoida
наиболее распространенные роды в почве — это
соответственно Dictyostelium и Actinophrys.
Реснитчатые (Ciliophora) образуют естественную
группу и могут быть ясно отделены от других
простейших по трем главным признакам: наличию щетиновид-
иых двигательных органелл или ресничек на
поверхности их тела и сопутствующей пленчатой организацией,
их уникальному адерному диморфизму и их способу
конъюгации. В почве находятся многочисленные виды
их и наиболее обычные роды — это Chilodonella, Cineto-
chilum, Colpoda, Cyclidium, Cyrtolophosis, Dileptus,
Enchelys, Gastrostyla, Gonostomum, Halteria, Keronopsis,
Oxytricha, Pleurotricha, Prorodon, Saprophilus, Tricho-
pelma, Uroleptus, Urostyla, Uroticha и Vorticella.
8.3. ПОЧВЕННАЯ МИКРОСРЕДА
На микроскопическом уровне почвы можно
рассматривать как гетерогенные смеси минеральных и
органических частиц со сложным ассортиментом пор,
заполненных воздухом или водой. Кубиена [40], пионер
микроморфологии, очевидно, понимал важную гетерогенность
почвенной микросреды, когда писал «...В пустотах
можно найти активные организмы, в некоторых лишь
немногие, в других очень многие, в соответствии с
размером, климатическими и пищевыми условиями
различных пустот...» Ионгериус [34] делил почвенные поры на
три группы: микропоры (диаметром менее 30 мкм),
которые он считал важными в качестве хранилищ воды
для растений и почвенных микробов; мезопоры (диамет-
190
ром от 30 до 100 мкм) «...важные для интенсивной
смены воздуха... служащие для перемещения и
распределения воды...» и макропоры (диаметром более 100 мкм),
которые «...позволяют воздуху проникать в почву быстро
и глубоко... и способствуют быстрому удалению больших
количеств воды...». Во многих почвах значительная часть
пор взаимосвязана относительно узкими сужениями,
или «горловинами» [5, 71], хотя некоторые части
системы пор могут быть прерывными [32].
Так как размер, форма и расположение почвенных
частиц определяют число и природу почвенных пор,
неизбежна некоторая разница в протяженности систем пор
между отдельными почвами. Солтер и Уильяме [64]
изучали зависимость между матричным потенциалом и
содержанием воды в 20 почвах с различным типом
сложения. В почвах грубого механического состава
(песчаные почвы и опесчаненные суглинки) больше половины
общего объема воды, удерживаемого при насыщении,
удалялось при всасывающей силе 0,66 бара, т. е. когда
все поры с горловинами больше приблизительно 4 мкм
(принимая, что их сечение цилиндрическое) осушались
при 20°С [29]. В почвах с более тонкой структурой
(все суглинки и глины) менее половины объема воды,
удерживаемого при насыщении, удалялось при той же
сосущей силе. Если принять, что почвенные поры
диаметром менее 4 мкм недоступны для большинства
почвенных простейших, то эти результаты позволяют
думать, что в условиях насыщения в почвах грубого
сложения большая доля общего объема пор доступна для
колонизации простейшими, чем в почвах тонкого
сложения. Тем не менее Солтер и Уильяме [64] обнаружили,
что наибольший объем воды, удаляемой из насыщенных
ею почв при всасывающей силе менее 0,66 бара и,
следовательно, объем, доступный для колонизации
простейшими, наблюдались в пылеватых суглинках с
устойчивой комковатой структурой. Таким образом,
структура почвы особым образом отражается на распределении
более крупных пор.
Поскольку почвенная структура и устойчивость
почвенных агрегатов могут быть изменены многими
биологическими,, химическими или физическими агентами,.
фактическая сеть пор, доступная для почвенных
простейших, должна быть непрерывно меняющейся. Например,
обычная сельскохозяйственная практика, такая каккуль-
191
тивация и внесение объемистых органических
удобрений, может значительно изменить структуру многих
почв [63].
Корни и макрофауна, особенно земляные черви,
служат причиной возникновения многих макропор [22, 62].
Многие почвенные микроорганизмы способны выделять
материалы, связывающие почвенные частицы в
агрегаты [30]. С другой стороны, разложение
микроорганизмами полисахаридов и гуминовых веществ может
разрушить почвенные агрегаты [32]. Дифференцированное
выветривание почвенных материалов и чередование
замерзания и оттаивания или иссушения и увлажнения —
все это может изменять размер и распределение
почвенных пор. Кроме того, вмывание, флоккуляция или
кристаллизация отдельных почвенных материалов могут
способствовать заполнению имеющихся пор [5].
Помимо относительных размеров простейших и
почвенных пор, наиболее важный фактор, лимитирующий
развитие простейших,— это, вероятно, количество
почвенного раствора в порах. При недостатке воды
почвенные простейшие стареют и большинство их инцисти-
руется. Неопубликованные результаты опытов автора с
использованием обычного почвенного жгутикового
Colpoda steini и почвенной бактерии Azbtobacter chroococ-
сит показывают важность наличия воды в почвенных
порах с размерами больше размеров простейших
(рис. 22). В каждом опыте 12 образцов-повторностей
воздушно-сухой почвы (20 г), предварительно
стерилизованных гамма-лучами, насыщались субстратом для
Рис. 22. Инокуляция образцов
почвы, предварительно
стерилизованных гамма-лучами,
популяцией Colpoda steini с
последующим воздействием
четырех вариантов отрицательного
давления (в барах):
/ — 0,50; 2 — 0,10; 3 — 0,03; 4 — 0.
Численность популяций Colpoda на
1 г абсолютно сухой почвы
выражена логарифмами с основанием 2.
Каждая оценка численности
популяции дана с 95%-ными
доверительными пределами.
192
О 7 14 21 28 35
бремн, дни
Azotobacter (среда Брауна, Берлингема и Джексона [6]
из глюкозы с минеральными солями) и инокулировались
культурами Azotobacter и Colpoda. После этого
почвенные образцы подвергали воздействию одного из
четырех вариантов отрицательного давления (0; 0,03; 0,10 и
0,50 бара) и выдерживали в термостате при
контролируемых условиях, чтобы предотвратить загрязнение
микробами или сильные изменения внешних условий.
Приблизительные размеры клеток Colpoda и Azotobacter,
использованных в этих опытах, были соответственно
30Х19ХЮ мкм и 3,8X2,7X2,7 мкм. Численность
популяций микроорганизмов в почвенных образцах
определяли методом разводок [18, 19].
При отрицательном давлении 0,5 бара
предполагалось, что, когда все «горловины» пор с диаметром
более примерно 6 мкм были осушены, не происходило
никакого увеличения популяции Colpoda. Фактически
легкое сокращение популяции Colpoda после инокуляции
показывает, что некоторые реснитчатые были
уничтожены при этом давлении и не инцистировались. В
других опытах с меньшими давлениями реснитчатые были
способны размножаться и продолжительность
размножения была обратно пропорциональна примененному
давлению. Наибольшие конечные популяции Colpoda
были получены в насыщенных почвах. Максимальный
диаметр горловин пор, не осушаемых при всасывающей
силе 0,03 или 0,10 бара, был соответственно 94 и 30 мкм
при температуре инкубации. Популяции Azotobacter
успешно размножались во всех почвенных образцах в
пределах испытанных давлений, и, вероятно, какой-то
рост происходил в меньших порах, изолированных от
популяции Colpoda. Почвенные поры, которые не могли
быть осушены, кроме как через каналы, более узкие,
чем указанные выше минимальные диаметры, были по-
прежнему заполнены почвенным раствором.
Другим важным препятствием размножению
простейших в почвенной микросреде является прерывное
распределение органического вещества и микрофлоры
[5, 36, 49]. Имеющиеся доказательства также
указывают, что большая часть органического вещества и
микрофлоры связана с почвенными агрегатами и не
диспергирована в питательном растворе [2, 25, 44]. В
настоящее время невозможно определить, какая доля пищи,
связанной с почвенными агрегатами, доступна простей-
13 Почвенная микробиология .
193
шим. Нет никаких данных о том, насколько легко
простейшие могут удалять сорбированную пищу, особенно
когда пища покрыта слоем глинистых частиц [44] или
чужим микробным материалом, например
полисахаридами. Возможно, центральные области многих
почвенных агрегатов недоступны для простейших. . Хаттори
[32] предположил, главным образом на основании
результатов опытов о влиянии диспергирующих веществ
на почвенные агрегаты, что различные микроорганизмы
заселяют наружные и внутренние части всех этих
агрегатов. По его мнению, наружная часть агрегатов
заселяется главным образом грибами, актиномицетами и спо-
рообразующими бактериями, а грамотрицательные, не
образующие спор бактерии .и актиномицеты,
преобладают во внутренних частях агрегатов.
Оставляя в стороне важный вопрос о том, какая
доля почвенных простейших сапрозойна [3], такое
прерывное распределение показывает, что почвы часто
содержат значительные запасы пищи, недоступные для
простейших в любой данный момент. Как следствие
простейшие, подобно другим гетеротрофным почвенным
'микроорганизмам [26], могут иногда существовать в почве
в условиях недостатка питательных веществ. Малые
размеры многих почвенных простейших [38, 40, 65]
могут отражать недостаток питательных веществ в почвах,
хотя возможно, что почвенные формы — это генотипы,
отличные от тех же видов, имеющихся в иных средах.
Установлено, однако, что голодание лабораторных
культур простейших может вызвать образование
карликовых популяций [15, 31]. Стаут и Хил [74]
предположили, на основании результатов опытов Адольфа с Colpo-
da sp. при низких давлениях кислорода, что мелкие
формы простейших в почве могут возникнуть в
результате пониженного давления кислорода, так же как и от
ограниченного обеспечения пищей. Известно также, что
температура может влиять на размеры простейших
[35, 75].
Аэрация, температура и рН, вероятно, наиболее важ-'
ные физико-химические факторы, влияющие, помимо
влаги, на почвенных простейших. Как правило,
почвенный воздух содержит меньше кислорода и больше
двуокиси углерода, чем соседняя надземная атмосфера.
Концентрация азота почти одинакова в обеих
атмосферах [43]. В условиях затрудненного газообмена может
194
происходить накопление газбобразных метаболитов,
например этилена или сероводорода [73]. Колебания
температуры почвы, за исключением самого верхнего слоя,
склонны быть меньшими, чем колебания температуры
над почвой [76]. Мак-Ларен и Скуинс [43] справедливо
подчеркивали, что в почвенной микросреде происходят
местные изменения и сложные взаимодействия этих
физических факторов. Снижение содержания воды в
почве не только усиливает аэрацию почвы [8], но может
вызвать также некоторое уменьшение объема почвенных
пор и увеличение концентрации почвенного раствора.
Растворимость двуокиси углерода или кислорода в
почвенном растворе зависит от колебаний температуры и
концентрации солей. Корни растений или почвенные
животные могут создавать местные различия в рН и в
парциальном давлений кислорода [28, 53].
Интенсивная местная деятельность микроорганизмов вблизи
корней растений или органического вещества может
создавать местные градиенты температуры, рН или давления
кислорода [7].
8.4. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ПОЧВЕННЫХ ПРОСТЕЙШИХ
Существование простейших в сложной почвенной
микросреде требует большой устойчивости к внешним
условиям. Ноланд и Гойдикс [52] считали способность
быстрого инцистирования и выхода из цист жизненно
важным свойством почвенных простейших.
Многочисленные опыты показали устойчивость цист простейших
к крайностям иссушения, температуры, *рН и газовой
среды. У многих активных почвенных простейших также
наблюдается широкая устойчивость к этим факторам
внешней среды [37, 52, 57, 74]. Раковинные амебы еще
лучше защищены от внешней среды их наружными
панцирями или-раковинами, и у некоторых почвенных
видов отверстие их панциря очень мало [4]. Сендон [65]
предполагал, что неспособность к инцистированию
может объяснить отсутствие в почве таких обычных
пресноводных родов, как Paramecium, хотя это не
объясняет отсутствия или редкости других обычных
пресноводных родов в почвах.
Как и другие представители почвенной фауны, виды
простейших характеризуются малыми размерами [3,42].
13* 195
Даже в пределах одного рода простейших, почвенные
виды часто мельче, чем обычные пресноводные или
морские виды [74]. Для них обычно отсутствие наружных
шипов или выступов [65] и многие почвенные
простейшие в какой-то степени уплощены [4, 74]. Наличие
аналогичных морфологических черт у реснитчатых,
обитающих в мелких порах литоральных морских песков
[21, 24], показывает, что они полезны в ограниченной
пористой среде и морских песков и почвы. Драгеско
[21] также отмечал, что многие реснитчатые в тонких
морских песках характеризовались наличием ресничек
только с одной стороны тела и положительным тигмо-
таксисом. Такие реснитчатые (Hypotrichida) хорошо
представлены в почвах. Многие почвенные жгутиковые
и амебы демонстрируют положительный тигмотаксис на
предметных стеклах микроскопа, и аналогичная реакция
в почве может быть важным свойством для выживания,
особенно если эти простейшие способны прикрепляться
к пригодным в пищу субстратам. Возможно, длинный,
тянущийся жгутик многих почвенных жгутиковых [65]
имеет важную осязательную функцию. Почвенные
реснитчатые потенциально более подвижны в почве, чем
жгутиковые или амебы. Однако в почвенных
суспензиях многих реснитчатых можно наблюдать вокруг
отложений органического вещества или скоплений
микрофлоры, а не свободно плавающими. Возможно, что по-"
добная ситуация существует в ненарушенных почвах.
Стаут и Хил [74] наблюдали, что, помимо одного вида
Vorticella, обычные почвенные реснитчатые не были
прикреплены к субстрату. Форе-Фремье [23] наблюдал
аналогичное отсутствие прикрепленных реснитчатых в
литоральных морских песках.
Сендон [65] на основании изучения мировой
литературы пришел к выводу, что большинство видов
почвенных простейших также обычны в пресноводных и
морских местообитаниях, богатых органическим
веществом, и только 21 вид эндемичен в почвах.
Последующие исследования расширили этот перечень .видов, но
общий вывод остается верным. Подобное сообщество
вполне может дать некоторых колонистов для целого
ряда экологических условий и, по-видимому, хорошо
приспособлено к обитанию в почвах. Однако отсутствие
ряда обычных пресноводных простейших в почвах
подкрепляет мнение Сендона о том, что почвенные простей-
196
шие не являются случайной^коллекцией менее
специализированных типов. К сожалению, характерные
физиологические потребности почвенных простейших все еще
недостаточно изучены.
8.5. ЗНАЧЕНИЕ ПРОСТЕЙШИХ
В ПОЧВЕННОМ СООБЩЕСТВЕ
Исходя из наших современных знаний почвенной
микросреды, нет ничего удивительного в том, что
прежние попытки найти корреляции между размерами
популяций простейших и макроклиматическими условиями
или'общей бактериальной популяцией были в
значительной степени безуспешными. Сейчас более
перспективным подходом кажется рассматривать колебания в
активных популяциях почвенных простейших исходя из
объема воды, имеющейся в почвенных порах. Почвенная
влага жизненно важна для активных простейших, и ее
наличие или отсутствие оказывает решающее влияние
на микросреду. Приблизительные определения общего
объема насыщенных водой пор, доступных для
размножения простейших в неуплотняющихся почвах, могут
быть получены путем контролирования изменений
потенциала почвенной влаги и данных о влагоемкости
ненарушенных почвенных монолитов. Практические
трудности этих измерений будут наибольшими вблизи
поверхности почвы и там, где градиенты почвенной влаги
велики. Подобный подход мог бы послужить основой
для сравнения пригодности микросред различных почв
и различных почвенных горизонтов для роста
простейших, если известен минимальный размер пор, в которые
могут проникать разные виды простейших.
Микроскопические наблюдения реснитчатых, двигающихся между
почвенными частицами на предметных стеклах,
показывают, что многие из этих простейших могут
протискиваться сквозь некоторые отверстия, более узкие, чем их
собственные нормальные размеры. Голые амебы
безусловно весьма гибкие организмы, и Бонне [4] наблюдал,
что псевдоподии раковинных амеб могут проходить
сквозьдонкие пленки воды, слишком малые, чтобы
вместить также и раковины. Дальнейшие микроскопические
наблюдения должны обеспечить необходимую
информацию о минимальных размерах почвенных пор,
доступных простейшим.
197
Преждевременно приписывать какую-либо более
специфичную роль почвенным простейшим, чем их участие
в разложении органцческого вещества и хищничество на
микрофлоре, пока не будет накоплено гораздо больше
знаний о том, как отдельные виды простейших ведут
себя в микросреде. Дополнительные аутэкологические
исследования в сочетании с современными методами
оценки почвенных популяций кажутся перспективным
направлением будущих протозоологических
исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. Adolph E. F. The regulation of adult body size in the
protozoan CoLpoda, /. Experimental Zoology, 53, 269—311
(1929).
2. В а с о n J. S. D. The chemical environment of bacteria in soil,
in The Ecology of Soil Bacteria (ed. by T. R. G. Gray, D.
Parkinson 25—43. Liverpool University Press (1968).
3. В е с k T. Mikrobiologie des B'odens, Bayerischer Landwirt-
schafts-Verlag, Munchen(1968).
4. В о n n e t L. Le peuplement thecamoebien de sols, La Revue
d'Ecologie et de Biologie du Sol, 1, 123—408 (1964).
5. В r e w e r R. Fabric and Mineral Analysis of Soils. Wiley, New
York (1964).
6. Brown M. E., В ur 1 ingh am S. K-, Jackson R. M.
Studies on Azotobacter species in soil'. I. Comparison of media and
techniques for counting Azotobacter in soil, Plant and Soil, 17,
309—319 (1962).
7. С1 a r k F. E., Jackson R. D., Gardner H. R.
Measurement of microbial thermogenesis in soil, Pros. SSSA, 26,
155—160 (1962).
8. С u г г i e J. A. Gaseous diffusion in porous media. Part 3. Wet
granular materials, British J. Applied Physics, 12, 275—281
(1961).
9. Cutler D. W. Observations on soil protozoa, /. Agricultural
Science (Cambridge), 9, 430—444 (1919).
10. Cutler D. W. A method" for estimating the number of active
protozoa -in the soil, /. Agricultural"Science (Cambridge), 10,
135—143 (1920).
11. Cutler D. W. The action of protozoa on bacteria when
inoculated into sterile soil, Annals of Applied Biology, 10, 137—141
(1923).
12. Cutler D. W., Bal D. V. Influence of protozoa on the process
of nitrogen fixation by Azotobacter chroo'coccum, Annals of
Applied Biology, 13, 516—534 (1962).
13. Cutler D. W., Crump L. M. The qualitative and
quantitative effects of food on the growth of a soil amoeba (Hartmanella
hyalina), British J. Experimental Biology, 5, 155—165
(1927)
14. Cutler D. W., С rump L. M. Carbon dioxide production in the
sands and soils in the presence and absence of amoebae, Annals
of Applied Biology, 16, 472—482 (1929).
198
15. С u 11 e r D. W., Crump L. M. Problems in Soil Microbiology,
Longmans Green, London (1935).^
16. Cutler D. W., Crump L. M., S a n d о n H. A quantitative
investigation of the bacterial and protozoan population of the
soil, with an account of the protozoan fauna, Philosophical
Transactions of the Royal Society of London, Series B, 211, 317—350
(1922).
17. Darbishire F. V., R u s s e 11 E. J. Oxidation on soils and its
relation to productiveness. Part II. The influence of partial
sterilisation, J. Agricultural Science (Cambridge), 2,, 305—326
(1908).
18. D a'rby sh ir e J. F. Nitrogen fixation by Azotobacter chroococ-
cum in the presence of Colpoda steini. I. The influence of
temperature, Soil Biology and Biochemistry, 4, 359—369 (1972).
19. Darby shire J. R, Wheat ley R. E., Greaves M. P.,
•Inkson R. H. E. A rapid micromethod for counting bacteria
and protozoa in soil, La Revue d'Ecologie et de Biologie du Sol,
11, 465—475 (1974).
20. Do giel V. A. General Protozoology (revised by J. I. Poljansky,
E. M. Chejsin). Oxford University Press (1965).
21. Dr age sco J. Cilies mesopsaminques littoraux. Systematique,
morphologie, ecologie, Des Travaux de la Station Biologique de
Roscoff, 12, 11—356 (1960).
22. Edwards C. A., Lofty J. R. Biology of Earthworms.
Chapman and Hall, London (1972).
23. Faure-Fremiet E. Ecologie des cilies psammophiles
littoraux, Bulletin Biologiques de la France et de la Belgique, 84,
35—75 (1950).
24. Faure-Fremiet E. The marine sand-dwelling ciliates of
Cape Cod, Biological Bulletin of the Marine Biology Laboratory,
Woods Hole, Massachusetts, 100, 59—70 (1951).
25. G г а у Т. R. G. В a x b у P., Hill I. R., G о о d f e 11 о w M.
Direct observation of bacteria in soil, in The Ecology of Soil
.Bacteria (ed by T. R. G. Gray, D. Parkinson), 171—192.
Liverpool University Press (1968).
26. G г а у Т. R. G., Williams S. T. Microbial
productivity in soil, in Microbes and Biological Productivity (ed. by
D. E. Hughes, A. H. Rose), 255—286. Cambridge University Press
(1971).
27. Grell K. G. Protozoology. Springer-Verlag, Berlin (1973).
28. Greenwood D. J. Studies on the distribution of oxygen
around the roots of mustard seedlings (Sinapis alba L.), New Phy-
tologist, 70, 97—101 (1971).
29. Griffin D. M. Soil moisture and the ecology of soil fungi,
Biological Reviews, 38, 141—166 (1963).
30. Griffiths E. Micro-organisms and soil structure, Biological
Reviews, 40, 129—142 (1965).
31. Harding J. P. Quantitative studies of the ciliate Glaucoma.
I. The regulation of the size and fission rate by the bacterial
food supply, /. Experimental Biology, 14, 422—430 (1937).
32. Hat tori T. Microbial Life in Soil: An Introduction. Marcel
Dekker, New York (1973).
33. H i r a i К., Н i n о I. Influence of soil protozoa on nitrogen
fixation by Azotobacter, Proceedings of the First International
Congress of Soil Science, Washington, Vol. 3, 160—165 (1928).
199
34. Jongerius A. Morphologic Investigations of Soil Structure,
Bodenkundige Studies No. 2b Mededelingen van die Stickting
voor Bodenkartering, Wageningen (1957).
35. J о h n s о n B. F. Influence of temperature on the respiration and
metabolic effectiveness of Chilomonas, Experimental Cell
Research, 28, 419—423 (1962).
36. J о n e s D., Griffiths E. The use of thin soil sections for
the study of soil microorganisms, Plant and Soil, 20, 232—240
(1964).
37. К i t с h i n g J. A. Some factors in the life of free-living
protozoa, in Microbial Ecology (ed. by R. E. O. Williams, С С. Spi-
cer), 259—286. Cambridge University Press (1957).
38. К о f f m a n M. Die Mikrof auna des Bodens, ihr Verhaltnis zu
anderen Mikroorganismen und ihre Rolle bei den mikrobiologischen
Vorgangen im Boden, Archiv fur Mikrobiologie, 5, 246—302
(1934).
39. К о r e 1 о f f N., Coleman D. A. A review of investigations in
soil protozoa and soil sterilizations, Soil Science, 3, 197—269
(1917).
40. К u b i e n a W. L. Micropedology. Collegiate Press, Ames
(1938).
41. Kudo P. R. Protozoology, 5th edition. Thomas, Springfield
(1966).
42. К u h n e 11 W. An introduction on the study of soil animals, in
Soil Zoology (ed. by D. K. M. Kevan), 3—22. Butterworths,
London (1955).
43. M с L a r e n A. D., S к u j i n s J. The physical environment of
micro-organisms in soil, in The Ecology of Soil Bacteria (ed.
by T. R. G. Gray, D. Parkinson), 3—24. Liverpool University
Press (1968).
44. M a r s h a 11 К- С Sorptive interactions between soil particles
and microorganisms,' in Soil Biochemistny, Volume 2 (ed. by
A. D. McLaren, J. Skujins), 409—445. Marcel Dekker, New York
(1971).
45. M a r t i n C. H., L e w i n K. R. Notes on some methods for the
examination of soil protozoa, /. Agricultural Science,
(Cambridge), 7, 106—119 (1915).
46. Me ik 1 e j о h n J. The relation between the numbers of a soil
bacterium and the ammonia produced by it in peptone solutions;
with some reference to the effect on this process of «the
presence of amoebae, Annals of Applied Biology, 17, 614—637
(1930).
47. M e i к 1 e j о h n J. The effect of Colpidium on ammonia production
by soil bacteria, Annals of Applied Biology, 19, 584—608 (1932).
48. N a s i r S. M. Some preliminary invectigations on the relationship
of protozoa to soil fertility with special reference to nitrogen
fixation, Annals of Applied Biology, 10, 122—133 (1923).
49. N i с h о 1 a s D. P., Parkinson D., В u r g e s N. A. Studies
of fungi in a podzol. II. Application of the soil-sectioning
technique to the study of amounts of fungal mycelium in the soil,
/. Soil Science, 16, 258—269 (1965).
50. Ни колю к В. Ф. Почвенные простейшие и их роль в
обрабатываемых почвах Узбекистана. Изд. АН Узбекской ССР,
Ташкент (1956).
200
51. Ни ко люк В. Ф., Гельцер <Ж. Г. Почвенные простейшие
СССР. Изд. Академии Наук Узбекской ССР, Ташкент (1972).
52. N о 1 a n d L. E., G о j d i с s M. Ecology of free-living protozoa,
in Research in Protozoology, Volume 2 (ed. by T. Chen),
215—266. Pergamon Press, London (1967).
53. Nye P. H. Processes in the root environment, /. Soil Science,
19, 2—5—215 (1968).
54. О e h 1 e r R. Amoebenzucht auf reinem Boden, Archiv fur Protis-
tenkunde, 37, 175—190 (1916).
55. Оeh 1 er R. Weitere Mitteilungen iiber gereingte Amoeben und
Ciliatenzucht, Archiv fur Protistenkunde, 49, 112—134 (1924).
56. Oehler R. Gereinigte Zucht von freilebenden Amoeben, Flagel-
laten und Ciliaten, Archiv fur Protistenkunde, 49, 287—296
(1924).
57. P о 1 j a n s k у G. I. The problem of physiological adaptation with
regard to the forms of variability in free living protozoa (some
results and perspectives), in Progress in Protozoology 40—55,
Universite de Clermont, UER-Sciences Exactes et Naturelles*
Clermont-Ferrand (1973).
58. P u s a r d M. Les protozoaires du sol, Annates des Epiphyties,
18, 335—360 (1967).
59. R u s s e 11 E. J. Oxidation in soils, and its connexion with fer-'
tility, /. Agricultural Science (Cambrfdge), 1, 261—279 (1905).
60. Russell E. J., Hutchinson E. B. The effect of partial
sterilisation of soil on the production of plant food, /. Agricultural
Science (Cambridge), 3, 111—144 (1909).
61. Russell E. J., Hutchinson E. B. The effect of partial
sterilisation of soil on the production of plant food. II. The
limitation of bacterial numbers in normal soils and its consequences,
/. Agricultural Science (Cambridge), 5, 152—221 (1913).
62. R u s s e 11 E. W. Soil Conditions and Plant Growth, .9th edition.
Longmans Green, London (1961).
63. S a 11 e r P. J., Williams J. B. The effect of farmyard
manure on the moisture 'characteristic of a sandy loam soil, /. Soil
' Science, 14, 73—81 (1963).
64. S a 11 e r P. J., W i 11 i a m s J. B. The influence of texture on
the moisture characteristics of soils. II. Avail able-water capacity
and moisture release characteristics, /. Soil Science, 16, 310—317
(1965).
65. S a n d о n H. The Composition and Distribution of the Protozoan
Fauna of the Soil. Oliver and Boyd, Edinburgh (1927).
66. Sandon H. The Food of Protozoa. Misr-Sokkar Press, Cairo
(1932).
67. S i n g h B. N. Selectivity in bacterial food by soil amoebae in
pure mixed culture and in sterilised soil, Annals of Applied
Biology, 28, 52—64 (1941).
68. Singh B. N. Inter-relationship between micropredators and
bacteria in soil, Proceedings 47th Indian Science Congress, part 2»
1—14 (1960).
69. S i n g h B. N. Recent advances in soil protozoology, Proceedings
of the First Summer School of Zoology at Simla 1961, 79—103
(1963).
70. S i n g h B. N., Crump L. M. The effect of partial sterilization
by steam and formalin on the numbers of amoebae in field soil,
/. General Microbiology, 8, 421—426 (1953).
201
71. Slatyer R. О. Plant-Water Renationships. Academis Press,
New York (1967).
72. Sleigh M. The Biology of Protozoa. Edward Arnold, London
(1973).
73. Smith K. A., Rest all S. W. F. The occurrence of ethylene
in anaerobic soil, /. Soil Science, 22, 430—443 (1971).
74. Stout J. D., Heal O: W. Protozoa, in Soil Biology (ed. by
N. A. Burges, F. Raw), 149—195. Academic Press, London
(1967).
75. Thormar H. Effect of temperature on the reproduction rate
of Tetrahymena pyriformis, Experimental Cell Research, 28,
269—279 (1962).
76. W e s t E. S. A study of the annual soil temperature wave,
Australian /. Scientific Research, Series A, 5, 303—314 (1952).
9
ПОЧВЕННЫЕ ГРИБЫ
Р. М. ДЖЕКСОН (R. M. JACKSON)
Ранние исследования по почвенным грибам
сводились главным образом к подсчету и каталогизации тех
грибов, которые можно было выделить из почвы.
Причины этого ясны: уже существовали методики, которые
с небольшими видоизменениями делали такие
исследования относительно несложными, и работа' была
благодарной, потому что она давала доказательства
присутствия разнообразных грибов в почве, видимо, в больших
количествах. Уже в начале этого этапа возникли
сомнения, действительно ли грибы растут в почве или же они
попадают в нее случайно, как загрязнители из других
субстратов. Ваксман [59] попытался решить эту
проблему, выделяя грибы, вырастающие за 24 ч из больших
почвенных инокулятов, и на этом основании утверждал,
что такие грибы должны происходить скорее из гиф, чем
из спор. Сомнительно, чтобы такое утверждение было
правильным [62], но ряд более сложных методик
достаточно подтвердил, что грибы действительно растут в
почве.
На протяжении последних 25 лет стремились
главным образом выяснить, в какой форме и в каких
количествах грибы имеются в почве, насколько они активны
и в каких процессах они важны. Большинство
исследований были биоценологическими, и было проведено
немного аутэкологических исследований непатогенных
почвенных грибов. Примером последних служит работа
Даниэльсона и Дейви [15] с видами Trichoderma.
Прогресс лимитировался медленностью разработки новых
методик, их должного применения и истолкования
полученных результатов. Примером того, что хорошая
методика может недостаточно быстро заменяться еще
лучшей, может служить метод агаровых пленок, ОПИСан-
ЗОЗ
ный Джонсом и Моллисоном в 1948 г. [28]. Эта
простая, но изящная методика дает частичное
представление о типах и количествах микроорганизмов,
имеющихся в почве. Со времени его введения этот метод или
его видоизменения (см., например, [55]) использовались
и до сих пор используются многочисленными
исследователями, давая результаты, трудно достижимые какими-
либо другими методами. Их главным недостатком, как
и других методов, связанных с прямой микроскопией,
является невозможность выявления различий между
организмами, которые были живыми в момент взятия
образца, и теми, что уже погибли. Ни один из
испытанных для этой цели методов окрашивания не был
полностью удовлетворительным, и, действительно, истолкование
результатов окрашивания зависит от
предположений, которые трудно или невозможно проверить.
Лучшим критерием жизнеспособности, чем
поглощение определенных красителей, служит метаболическая
активность. Чтобы отличить живые клетки бактерий и
водорослей от мертвых в морской воде, использовали
поглощение радиоактивных изотопов 14С и 3Н из
окружающей среды с последующей радиоавтографией
[7—9]. Эта же методика была приспособлена для
обнаружения метаболически активных микроорганизмов в
листовой подстилке; подстилку на короткое время
подвергали воздействию глюкозы, меченной 14С, с
последующим радиоавтографированием [57]. Предполагалось,
что гифы, поглощающие меченый углерод, т. е.
усваивающие глюкозу,— живые, а те, которые не давали ра-
диоавтограмм, должны быть мертвыми или
покоящимися. С этим допущением должны быть связаны
известные оговорки, поскольку мало известно о
поглощении глюкозы или других органических соединений из
почвы такими важными группами грибов, кдк многие
микоризные грибы. То что некоторые активные в
других отношениях грибы могут быть неспособны
поглощать глюкозу,— это реальная возможность; так, Хач-
кайло [21] пришел к выводу, что в природе очехленные
микоризные грибы в отношении углеводов,
включая глюкозу, зависят главным образом от корней
хозяина.
Ценность метода Джонса и Моллисона была бы
большей, если бы он сочетался с радиоавтографией для
различения метаболически активных организмов. Другим
204
потенциальным развитием является окрашивание
флуоресцентных антител на пленках Джонса и Моллисона
для определения конкретных видов. Методика такого
окрашивания недавно была успешно применена для
определения скорости роста бактерий в почве [5] и
несомненно будет все шире использоваться в почвенной
микробиологии. Если чашечный метод сильно занижает
численность грибов в почве, присутствующих в форме
гиф, то метод Джонса и Моллисона склонен давать
завышенные результаты. Трудоемкое исследование Уорка-
па {60] происхождения грибов на чашках с
почвенными разводками показало, что многие колонии
образуются из хламидоспор внутри частиц органического
вещества. Большая доля таких частиц, вероятно, будет
устранена при приготовлении пленок Джонса и
Моллисона, но даже если они будут присутствовать, очень
нелегко разглядеть споры в этих частицах.
Еще одним критерием жизни служит способность
грибных гиф или стадий, служащих для размножения,
давать начало росту новых гиф. Пленки Джонса и
Моллисона можно приготовить в разведенном питательном
агаре и короткое время выдержать в термостате перед
их фиксированием и окрашиванием. Новый рост
нетрудно обнаружить при внимательном обследовании этих
инкубированных пленок. Иногда можно определить
жизнеспособность и даже таксономическую принадлежность
гиф, если их выделить из почвы и перенести на
питательный субстрат. Отмечалась 75%-ная
жизнеспособность таких гиф, но обычно она гораздо более низка
[27, 61].
Определения биомассы, основанные на оценке
различных химических соединений, были описаны в
последние годы. Они включали АТФ [2,24], мурамовую
кислоту [37] и хитин [54]. Только последний метод
специфически приложим к грибам. Его точность зависит от
калибровки по чистым культурам и от знания
устойчивости хитина после отмирания гиф. Присутствие
значительного количества хитина беспозвоночйых делает
метод непригодным. Новый подход к оценке почвенной
биомассы связан с измерением масштабов вспышки
разложения, следующей за частичной стерилизацией
почвы. Этот метод, всесторонне рассмотренный Поулсоном
в другой главе, не может, однако, помочь
дифференциации разных компонентов биомассы.
205
Прежде чем продолжить обсуждение исследований
форм и состояния грибов в почве, полезно произвольно
классифицировать их следующим образом.
I. Мертвые грибы: мало известно, как долго
мертвые грибные структуры могут оставаться в
распознаваемой форме в почве. Мертвые гифы, извлеченные из
пастбищной почвы и затем погруженные в нейлоновых
мешочках в питательные растворы с нестерильным
почвенным инокулюмом, были целыми и, видимо, мало
изменились после 3—6 месяцев [27]. Это указывает на
такую степень стойкости оболочек грибных клеток,
.которая не оставляет сомнения в том, что многие гифы,
встречающиеся в подобной почве, должны быть
мертвыми.
II. Живые грибы: а) метаболически активные и
растущие; б) метаболически активные, цо не растущие;
в) метаболически неактивные, но способные немедленно
расти после выделения из почвы; г) метаболически
неактивные и неспособные расти, если их выделить из
почвы, кроме случаев, когда их подвергают специальной
обработке.
Первая из этих четырех категорий включает гифы и
развивающиеся репродуктивные структуры. Вторая
также будет содержать гифы и, вероятно, молодые и
недолговечные споры. Любая структура в этих двух
категориях может быть выделена и выращиваться
непосредственно или «наращиваться» после извлечения из
почвы при соблюдении некоторых условий. Первое из
них — это чтобы применяемый метод не повреждал
стадий, служащих для размножения, и, следовательно, не
предотвращал последующего роста. Второе — это чтобы
условия культивирования обеспечивали полное
использование ростового потенциала. Третье условие
заключается в том, чтобы структуры представляли собой грибы,
по природе пригодные для культуры, т. е. чтобы это не
были истинно облигатные паразиты или симбионты.
Главную группу живых, но не поддающихся культуре
грибов в почве" составляют микоризные грибы.
Присутствие ВА-микоризных грибов среди других гиф,
извлекаемых из почвы, обнаруживалось неоднократно., и вполне
возможно, что они составляют значительную долю всех
гиф в почве. Если некоторые, снабженные чехлом
микоризные грибы можно выделить довольно легко па
-крайней мере с микоризных корней, то другие оказа-
206
лось трудно или невозможна выделить вообще. Зак и
Маркс [64] сообщали, что выделение с микоризных
корней сосны Эллцота было успешным только в 40%
случаев. Выделение из ткани спорофора некоторых
микоризных гименомицетов столь же трудно. Успешного
нарастания отдельных гиф любого из этих грибов
нельзя ожидать. Безусловно верно, что некоторые гимено-
мицеты, если их уже удалось культивировать, можно
успешно пересевать, только используя большое
количество инокулюма.
Категории (в) и (г) живых грибов содержат
главным образом, споры, но (в) может включать также скле-
роции и живой, но неактивный мицелий. Термины
«метаболически активный» и «метаболически неактивный»
имеют лишь относительное значение и представляют две
половины спектра от мертвых грибов до крайне
активных. Живые, но неактивные клетки отличаются от мертвых
тем, что обладают реальной, но низкой интенсивностью
дыхания, функционирующими осмотическими
барьерами и АТФ-фондом [43]. Состояние структур в
категории II, в соответствует экзогенному покою, а
структур в категории II, г — конституционному покою [53].
Сейчас известно, что экзогенный покой, или покой,
обусловленный внешней средой,— это обычное состояние
большинства стадий грибов в почве, служащих для
размножения. Первые исследования грибных спор в почве
проводились Доббсом и Хинсоном [16], описавшими в
1953 г. то, что они окрестили «широко
распространенным фунгистатическим действием в почве». Это сообщение
привлекло внимание к явлению, ранее
наблюдавшемуся некоторыми исследователями и несомненно
предполагавшемуся другими. Хотя имелось значительное
расхождение в мнениях относительно причин почвенного
фунгистатического действия, немногие почвенные
микробиологи сомневались в его существовании или его
важности для выживания, особенно для грибов, обычно
населяющих ризосферу или паразитирующих на корнях.
Для объяснения этого фунгистатического действия в
почве были предложены две явно противоречивые
гипотезы. По первой из них неспособность спор прорастать
в почве, за исключением случаев, когда их основные
требования не удовлетворяются, является результатом
присутствия ингибирующих веществ микробного
происхождения. Главной слабостью этой гипотезы была труд-
207
ность доказательства присутствия подобных ингибиторов
в растворах, выжатых из почвы. Когда такие
вещества обнаруживали, они имели тенденцию
улетучиваться.
Иная гипотеза была предложена Локвудом [35] и
его коллегами в Мичигане. Согласно их теории
«истощения питательных веществ», почва ведет себя как
сточная труба для питательных веществ: .попавшие в нее
споры быстро отдают питательные вещества в
окружающую среду, пока они не теряют способность прорастать,
если только не станет доступен свежий запас
питательных веществ. Несомненно питательные вещества
теряются из спор в почву или подвержены действию
градиента диффузии в модельных-системах, но связь этого
явления с фунгистатическим действием почвы неясна.
Имеются трудности и в принятии «истощения
питательных веществ» в качестве главной причины фунгистати-
ческого действия, и это легко показать на примере
одного опыта. Найт [30] использовал макроконидии Coch-
liobolus sativus, меченные ИС, для изучения потери
углеродных соединений и ее связи со способностью к
прорастанию. Он поместил конидии на поверхность трубок
диализатора, наполненных водой или почвенной
суспензией для имитации «истощения питательных веществ»,
якобы происходящего в почве. Несмотря на то что
наблюдалась большая потеря меченых углеродных
соединений из конидий, их прорастание после переноса в
почву было лучшим, чем у необработанных конидий.
В данном случае на диализаторе могло происходить
удаление автоингибиторов вместе с питательными
веществами.
В недавнее время в связи с появлением газовой
хроматографии внимание было обращено на летучие
ингибиторы грибов в почве. Теперь имеются хорошие1
доказательства, что летучие соединения, образуемые
почвенными организмами, могут оказывать фунгистатическое
действие [25, 26]. Смит [51] обнаружил образование
этилена в ряде почв и продемонстрировал хорошую
корреляцию между количеством образуемого этилена и
уровнем фунгистатического действия. Необходимо
выяснить, можно ли только присутствием этилена объяснить
все обычное фунгистатическое действие в почве.
Таким образом, основная масса доказательств
теперь, по-видимому, подтверждает важную роль ингиби-
208-
торов микробного происхождения в экзогенном покое
спор в почве. Однако уровень обеспечения
питательными веществами как грибных стадий, служащих для
размножения, так и их внешней среды будет сильно
взаимодействовать с такими ингибиторами. Если такое
взаимодействие питательных веществ не учитывать в
исследованиях фунгистазиса, то результаты могут быть
ошибочными. Работы в лаборатории автора показали, что
субстрат, на котором образована спора, влияет как на ее
запас питательных веществ, так и на ее последующую
реакцию на фунгистатическое действие. Практическая
трудность при изучении прорастания грибных спор
заключается в их сборе и таком обращении со спорами,
которые не вызывали бы изменений в содержании пи-
тательцых веществ. Если споры убирают с поверхности
агаровой культуры в водную среду, то имеется
опасность загрязнения спор неиспользованными
питательными веществами из субстрата. Отмывание спор
безусловно не может быть выходом, если при этом из них
удаляются питательные вещества. При работе с грибами,
образующими сухие споры, эти трудности можно
устранить, убирая споры сухим вакуумным коллектором,
подобным тому, что использовался Найтом [30], с
переносом спор непосредственно на поверхность, где будет
изучаться их поведение.
Истинно конституционный, или эндогенный, покой
наблюдался у довольно немногих почвенных грибов.
Классическим исследованием было исследование Блэкуэлла
[4] на Phytophthora cactorum. Ооспоры этого гриба
проходят три отдельные стадии развития, прежде чем
станет возможно их прорастание. В зависимости от
условий это может занять в общей сложности от 3 до 10
месяцев. Блэкуэлл обнаружил, что отдельные споры сильна
отличались по продолжительности покоя и по
реакции на изменения внешних условий. Заметная
гетерогенность в популяции покоящихся спор способствует тому,
что некоторые споры будут реагировать на
стимулирование, тогда как другие останутся в состоянии покоя,
чтобы отозваться на более позднее стимулирование.
Полагают, что конституционный покой должен иметь
большую ценность для выживания возбудителей болезней
корней, особенно при ограниченном круге хозяев и
длительных периодах, когда не имеется подходящего
хозяина. Фактически мало что известно о наличии и пове-
14 Почвенная микробиология
20&
дении в почве ооспор некоторых важных патогенов.
Неизвестно, например, играют ли ооспоры какую-либо
важную роль в выживании губительного паразита Phyto-
phthora cinnamoni, хотя этот гриб образует ооспоры в
почве [38, 47].
Это обсуждение состояния грибов в почве началось
с проблем, связанных с измерением количества грибной
ткани (биомассы) и ее активности. Если целью является
измерение активности за какой-то период времени, то
для этого имеются подходы, отличные от тех, что уже
обсуждались. Общее количество образованной СОг или
общее поглощение 02 почвой может быть измерено
соответствующим респирометром, но полученные значения
будут представлять суммарное дыхание корней
растений, почвенных животных, бактерий, грибов и- других
микроорганизмов. Долевое участие грибов не может быть
отделено от участия других организмов, и таким
образом исследования дыхания почвы имеют ценность в
оценке активности грибов только в тех почвах, где такая
активность преобладает.
Один из параметров активности, по меньшей мере
некоторых грибов, это протяженность гиф в почве.
В почву на определенное время погружают инертную
поверхность, или комплекс поверхностей, после чего их
извлекают для обследования под микроскопом.
Предметные стекла Росси — Холодного — это простой
вариант подобной методики. Сходным образом Вейдом и
Вудменом [58] и позднее Нагелем-деБуа [40]
использовались нейлоновые сетки. Нейлоновые моноволокна
сеток создавали непрерывное сетчатое образование, на
котором могли расти гифы. Благодаря своей структуре
и свойствам поверхности эти волокна вполне могли
способствовать более сильному росту гиф некоторых видов,
чем в других условиях. Кроме того, вполне вероятно,
что активность, регистрируемая путем использования
закопанных в почву нейлоновых сеток, не будет
представительной для всех типов гиф. Грей и Уильяме [17]
классифицировали типы роста гиф в почве. Грибы в
двух признанных ими категориях были наиболее
вероятными видами для заселения закопанных нейлоновых
сеток. В одну из этих категорий входили грибы, имеющие
мицелиальные «тяжи», или ризоморфы, благодаря
которым они растут сквозь почву от субстрата к субстрату.
Отдельные гифы часто отходят в стороны от ризоморф.
210
Грибы с таким механизмом роста обычно изобилуют в
почвах лесов и редколесья, причем большинство их
составляют разлагающие подстилку микоризные тимено-
мицеты и гастеромицеты. Грибы с диффузно
расходящимися гифами также часто могут заселять
закопанные нейлоновые сетки. Эти грибы необязательно
прикреплены к питательным субстратам, а могут получать
питательные вещества из почвенного раствора.
Вероятно, редко бывают представлены на нейлоновой сетке
грибы с ограниченным ростом гиф. Организмы этого
рода образуют плотную массу гиф на поверхности и
внутри небольших кусочков субстрата, мало или совсем
не проникая в почвенные поры. Если более или менее
постоянная доля роста гиф одного типа в данном
объеме почвы происходит на сетке, то могут быть получены
полезные данные о разнице в активности роста этого
гриба за различные периоды. Антагонизм или взаимные
помехи между гифами разных видов на нейлоновой
сетке могут искажать результаты.
Растущий интерес к поведению грибов в почве
привел к более критическому подходу к исследованиям
влияния физического окружения на активность грибов.
В значительной части прежних исследований по
почвенным грибам влияние воды или игнорировалось, или не
было понято должным образом. Главным образом
благодаря продуманной экспериментальной работе Гриффи-
на и его критическим обзорам {18—20] мы теперь
гораздо яснее понимаем, как вода сказывается на
почвенных организмах. Кук и Папендик [11—13]
составили обзоры влияния потенциала почвенной воды на
возбудителей болезней корней и проводили' опыты в этой
области.
Наиболее легко измеримый параметр почвенной
воды.— это ее содержание. Так, общее количество
имеющейся воды выражается в граммах воды на грамм
почвы или как объем воды на 1 см3 почвы. Другой, часто
используемой формой выражения служит процент
насыщения или водоудерживающая способность. Знание
общего содержания воды в почве имеет некоторую
ценность, если исследование ограничено одной почвой и
сравнения проводятся в этой почве при различных
условиях. Однако наиболее важное свойство почвенной
воды для грибов, так же как и для других организмов в
почве, включая корни растений, это сила, удерживаю-
14*
211
щая воду в почве в любое данное время, которая
должна быть преодолена прежде чем воду можно будет
удалить из почвы. Сумму сил, воздействующих на почвенную
воду, обычно называют, общим или водным-
потенциалом и выражают значением pF (логарифм
отрицательного давления в сантиметрах вод. ст.) или в барах.
К сожалению, точное измерение потенциала почвенной
воды, за исключением ограниченного предела,
затруднительно и требует применения влагомеров. Как только
построена кривая характеристики влаги, связывающая
содержание воды в почве с водным потенциалом,
желательный водный потенциал легко создать и
поддерживать. Практическая трудность в работе с почвенной
водой встречается при попытках равномерно увлажнить
почву до заданного потенциала без чрезмерного
разрушения почвенной структуры. Один из способов
преодоления этой трудности заключается в смешивании
рассчитанного количества измельченного льда с почвой при
температуре ниже нуля (частное сообщение Г. Шюппа)
[45, 46]. Много опытных данных показывает, что грибы
остаются активными при водном потенциале намного
ниже того, который прекращает рост бактерий. Гриффин
[20] пришел к выводу, что нижний предел для роста
бактерий в почве, обусловленный непосредственно
водным потенциалом, лежит, вероятно, около —80 бар. Чен
и Гриффин [10] добились хорошей колонизации
грибами коротких отрезков волос, помещенных на
поверхность почвы, при водном потенциале вплоть до —306 бар
и некоторой колонизации при —395 бар. Однако
заселение происходило гораздо медленнее при низких
значениях водных потенциалов, чем при более высоких. Ниже
потенциала —145 бар почти единственными активными
грибами были виды Aspergillus и Penifillium.
Интересно, что Чен и Гриффин [10] не обнаружили никакой
разницы в преобладании видов, способных расти при
—300 бар, между почвами английского пастбища,
австралийского дождевого леса и пустыни.
Взаимодействие между организмами может привести
к явным аномалиям во влиянии водного потенциала на
их поведение. Так, Fusarium roseum f. sp. cerealis
("culmorum") лучше растет в стерильной почве при
водном потенциале, близком к нулю, и растет все
медленнее при понижении потенциала до примерно —80 бар
[11, 14]. В нестерильной почве рост гиф продолжается
212
только, пока водный потенциал меньше —6 до —8 бар.
При более высоких потенциалах хламидоспоры
прорастают, но ростковые трубочки лизируются или
продолжают образовывать покоящиеся хламидоспоры. Такое
поведение в нестерильной почве объясняют тем. что
бактериальная активность снижается по мере
высыхания почвы и почти прекращается при —10—
-15 бар [12].
Экстремальная ксерофитность наблюдалась у гриба
Xeromyces bisporus, который может расти при —693
бара, но полностью подавляется при более высоких
водных потенциалах [42, 48]. Его нетерпимость к высоким
водным потенциалам объясняет, почему Xeromyces
никогда не удавалось выделить из почвы. Однако, как
указывал Гриффин [20], некоторые изоляты из группы
Aspergillus glaucus также подавлялись высокими
водными потенциалами, хотя они и встречаются в почве.
Такая способность большинства почвенных грибов
расти в почве при гораздо более низких водных
потенциалах, чем те, при которых возможен рост бактерий,
должна давать им большие преимущества в сухой почве.
Гриффин утверждает, что причина, по которой бактерии,
как правило, перестают расти при потенциалах
значительно ниже —15 бар, заключается в том, что они
лишены подвижности и в результате лишены питательных
веществ. Бактерии не только неспособны перемещаться
к новым участкам с питательными веществами в более
сухой почве, но, кроме того, и пути диффузии
растворимых питательных веществ от их источника к
бактериальным клеткам становятся все более длинными и
узкими. Грибы, напротив, благодаря их нитевидной
структуре и механизму роста способны продолжать
поиски и использование питательных веществ.
Перемещение питательных веществ в гифах делает возможным их
сосредоточение в точках роста или развития.
Обсуждение относительных преимуществ для грибов
при низких водных потенциалах имеет смысл, только
если имеются доказательства, что низкие водные
потенциалы действительно могут возникать в почве. Папен-
дик, Кохран и Вуди [41], изучая почву богарного
пшеничного поля в северо-западных штатах США,
показали, что в течение июня верхние 30 см почвы могут
иссушаться более чем до —100 бар вследствие
интенсивной эвапотранспирации.
213
Можно ожидать, что почвенная вода будет оказы-*
вать регулирующее влияние на движение грибных
зооспор. Штольци и др. [52] предположили, что зооспорам
Phytophihora требуются заполненные водой поры
диаметром по меньшей мере 40—60 мкм, чтобы они могли
двигаться сквозь почву. Даже если такие поры имеются,
движение на расстояния больше немногих
миллиметров, вероятно, зависит от массового потока воды во
время сильных дождей и сразу же после них. Аллен и Нью-
хук [1] недавно использовали стеклянные капилляры,
имитирующие почвенные поры в ризосфере, чтобы
изучить хемотаксис у зооспор Phytophthora. Они
объяснили, что наличие градиента этилового спирта в
капиллярной трубке может способствовать нормальному
движению вдоль нее, которое было бы невозможно при
отсутствии градиента вследствие частых столкновений
зооспор со стенками трубки.
Легко понять, почему очехленные микоризы и их
грибы изучались отдельно от экологии других
почвенных организмов. Обсуждение вопроса о том,.каким
образом микоризные грибы, окруженные чехлом, могли
выработать их взаимозависимый симбиотический образ
жизни, поможет связать их со свободноживущими
почвенными грибами. Наиболее популярно представление
о том, что микоризные грибы произошли от
агрессивных паразитов растений [23, 34]. Подобная эволюция
должна была сопровождаться прогрессивной потерей
или деликатным регулированием цитолитических
ферментов и постепенным удлинением скорее
биотрофической, чем нёкротрофической фазы. Эту гипотезу,
несмотря на ее привлекательность, довольно трудно
принять для большинства очехленных микоризных грибов.
Ни один из численно преобладающих родов,
образующих чехольчатые микоризные сообщества, не содержит
паразитических видов или близкородствен другим
родам, включающим паразитов. Напротив,
большинство родов, содержащих микоризные виды, включают
некоторые более или менее сапрофитные виды или так-
сономически близки к сапрофитным родам. Кроме того,
микоризные виды в разной степени зависят от своих
автотрофных партнеров. Так, большинство
представителей таких родов, как Lactarius и Russula,— это,
по-видимому, экологически облигатные симбиотические биотро-
фы [33], и совершенно определенно ни один из микориз-
214
ных видов Russula не образует спорофоров в стороне
от своего микоризного партнера. Они, вероятно,
неспособны заметно расти в естественных условиях, кроме как
в тесном контакте с корнями подходящих деревьев.
Указание Зингера [49] на то, что примитивные члены родов
Lactarius и Russula не относятся к микоризным, тогда
как более совершенные формы образуют микоризу и
даже специализированы, позволяет предполагать
эволюцию от сапротрофии к биотрофии в пределах этих родов.
Утверждение, что многие очехленные микоризные
грибы — это экологически облигатные биотрофы,
трудно доказать. Такое предположение основано на
трудности культивирования некоторых видов и полной
неудачи в культивировании других. Как указывалось
выше, считается, что до 40% эктомикоризных грибов не
удается выращивать на известных лабораторных суб--
стратах. Однако Boletus bovinus, В. badius, J3. subtomen-
tosus, Laccaria laccata и L. arnethystina, менее зависимы
от микоризных сообществ [23, 34, 36].
Paxillus involutus и, возможно, некоторые виды Не-
beloma, [22] служат примерами грибов, которые
можно отнести к экологически факультативным симбионтам
с биотрофным питанием при симбиозе, но в других
случаях сапрофитным [33]. Paxillus involutus — широко
распространенный лесной вид, растущий и
плодоносящий в лесах с эктотрофными и анектотрофными
микоризными сообществами [50] и способный даже
образовывать спорофоры на гниющих стволах под пологом
леса. Вероятно, как следствие его сапрофитных
тенденций этот вид можно очень легко отделить от
микоризных корней. Он также относительно неразборчив в
формировании микоризных сообществ. Микоризные гасте-
ромицеты, такие, как Scleroderma aurantium и аскомицет
Сепососсит graniforme, [56] — это также
очехленные микоризные грибы, способные расти независимо от
симбиоза.
Следующая последовательность событий могла
привести к возникновению облигатно симбиотических био-
трофов из облигатно свободноживущих. сапрофитных
гименомицетов.
1. Освоение ризопланы как места обитания части
таллома.
2. Утрата целлюлолитических и лигнинолитических
ферментов, если они до этого имелись или создание тон-
215
кого механизма подавления их действия (некоторые
очехленные микоризные грибы способны использовать
целлюлозу, обычно в ограниченной степени).
3. Внедрение между клетками коры корня и
сопутствующее усиленное развитие на поверхности корня (на
протяжении этой фазы эволюции могло произойти
исчезновение корневых волосков хозяина).
4. Утрата способности синтезировать определенные
регулирующие рост соединения и одновременная
частичная утрата конкурентного сапрофитизма.
Утрата способности к половому размножению, т. е.
образованию спорофоров при сапрофитном образе
жизни, могла произойти за некоторое время до полной
потери способности к сапрофитному образу жизни.
Возможно, что некоторые очехленные микоризные грибы
могут изредка образовывать спорофоры или вообще не
образуют их [31]. Базидиомицеты, уже неспособные
образовывать спорофоры, вероятно, будут среди эволюци-
онно наиболее высокоразвитых микоризных симбионтов.
Главный признак, отличающий микоризные грибы от
большинства других заражающих корни биотрофов и от
некротрофов, это то, что часть таллома не теряет
активности в почве после заражения. Фактически таллом
разделяется на две части, имеющие весьма различные
функции в отношении питания. Разрастаясь сквозь
почву в стороны от микоризной поверхности, находится
система отдельных и агрегированных гиф. Обычно
преобладают мицелиальные «тяжи». Это просто
разветвляющиеся скопления гиф, совершенно отличные от
высокоорганизованных ризоморф [6]; они могут простираться
на сантиметры от корня, и сами несут отдельные гифы,
внедряющиеся в почву. Эта система тяжей и гиф
эффективно исследует гораздо больший объем почвы, чем
лишенные микоризы корни. Ее роль в лесной экосистеме
можно сравнить в некоторых отношениях с ролью
корней растений. Она поглощает воду и минеральные
питательные вещества, но обычно не конкурирует за
органические питательные вещества. Она отличается от
корней растений своей большей исследовательской
способностью, возможным отсутствием экссудатов,
пригодных для использования сапрофитами, и нередким
образованием антибиотиков.
Уникальное свойство почвенного мицелия, по
меньшей мере некоторых очехленных микоризных грибов,
216
это способность переносить растворимые углеродные
соединения от растения к растению того же или иного
вида. Так, Бьеркман [3] продемонстрировал перемещение
14С из корней елей к растениям Monotropa через гифы
общего микоризного гриба. В дополнение к его
функциям поглощения и перемещения веществ почвенный
мицелий вызывает новое заражение корней и образует
спорофоры.
Как уже указывалось, сомнительно, могут ли^ более
специализированные очехленные микоризные грибы
расти без своих древесных партнеров. Выживание без
роста, вероятно, возможно и было бы важным, например,
в лесопитомниках. Потенциально выживающими
стадиями, служащими для размножения, являются склероции,
хламидоспоры, оидии и базидиоспоры. Лэмб и Ричарде
[32] изучали возможности выживания некоторых из
этих образований. Было установлено, что
хламидоспоры трех неустановленных микоризных грибов с корней
сосен быстро теряли жизнеспособность даже при
оптимальной влажности, а также обладали малой
устойчивостью к нагреванию.
Вторая часть таллома очехленных микоризных
грибов тесно связана с корнем хозяина. Она включает
более или менее хорошо развитый чехол со структурой от
простой прозенхимы до уплотненной псевдопаренхимы,
или синехимы [63], и гиф, проникающих между
клетками и сквозь клетки из чехла в кору. Чехол
защищает корень и служит временным хранилищем
питательных веществ, таких, как фосфор, тогда как
межклеточная сеть Хартига и внутриклеточные гаустории служат
участками обмена питательных веществ между грибом
и корнем.
Взаимодействие между почвенным мицелием
очехленных микоризных грибов и почвенными организмами
изучалось мало. Тем не менее проявлялся интерес к
ризосфере очехленных микориз, обзор работ по которым
недавно был составлен Рамбелли [44]. В большинстве
случаев там, где проводились критические сравнения в
ризосферах микоризных корней, были обнаружены
большие численность и плотность микроорганизмов, чем
в ризосфере немикоризных корней.
Наши знания везикулярно-арбускулярных (ВА)
микоризных грибов еще более скудны, чем очехленных
микоризных грибов. Виды Endogone, важнейших ВА-гри-
217
бов, никогда не образуют заметных плодовых тел и не
могут быть выделены из почвы и культивироваться без
нее, так как это, по-видимому, более или менее
экологически облигатные симбионты. К счастью, у них есть
свойства, позволившие узнать кое-что об их
распределении в почве. Сюда относятся характерный мицелий и
столь же характерные крупные споры. Endogone можно
узнать по этим структурам, но даже классификация его
видов основана главным образом или полностью на
морфологии спор. Споры Endogone можно извлечь из
почвы доличественно путем просеивания на ситах в воде
для изучения численности и распределения типов спор
в различных почвах и влияния различных культур и
обработок. Численность спор, которые удается выделить
из почвы, необязательно служит хорошим показателем
масштабов заражения корней в этой почве;
регистрировались случаи, когда, несмотря на сильное заражение
корней, никаких спор не удавалось обнаружить. Обзор
исследований по этим аспектам экологии Endogone был
составлен Моссе [39].
Вероятно, как следствие широкого спектра их хозяев
большинство «видов» (или «типов спор») Endogone, по-
видимому, широко распространено. Моссе приводит
пример распределения типа с легко распознаваемыми
спорами медовой окраски. Он был найден в Шотландии,
Англии, Австралии, Новой Зеландии. Пакистане, ЮАР,
США и Бразилии. Так как микоризные виды Endogone
не образуют переносимых ветром спор, распространение
видов могло зависеть от пересылки растений с
зараженными корнями или почвой. Было бы интересно изучить
типы Endogone, имеющиеся на островах, куда люди
никогда не завозили растений. В таких изолированных
условиях могли возникнуть уникальные виды. Сообщения
об обнаружении ВА-грибов в корнях таких ископаемых
растений, как Rhynia и Asteroxylon [29],
свидетельствуют об очень древнем происхождении этих грибов. Этим
может объясняться широкий спектр их хозяев и их гео-,
графическое распределение. Наши знания связи
ВА-грибов со свободноживущими видами слишком скудны для
того, чтобы предположения о филогении этих грибов
имели ценность.
В то время как имеются доказательства, например,
для очехленных микоризных грибов о переносе
углеродных соединений от растения-хозяина во внешний мице-
218
лий ВА-грибов, мало известий о способности почвенного
мицелия поглощать органические соединения. Опыты с
бинарными культурами, т. е. растением-хозяином плюс
Endogone, продемонстрировали отзывчивость гриба на
внесение в субстрат глицерина или инозита. Однако
остается неясным, поглощаются ли подобные
соединения непосредственно мицелием или же корнями, с
последующим их преобразованием в процесса^ метаболизма
растения, возможно, с каким-то косвенным
влиянием на гриб. Точно так же не было установлено,
происходит ли поглощение органических веществ ВА-грибами
только через внутриклеточные арбускулы или
существует ли конкуренция внешнего мицелия Endogone с
почвенными гетеротрофами за органические соединения.
С другой стороны, конкуренция за фосфор или другие
минеральные питательные вещества, вероятно, активна
и экологически важна. Наблюдалось некоторое
взаимодействие между Endogone и другими организмами,
заражающими корни, но оно, вероятно, происходило или в
корне, или на его поверхности.
В этой главе удалось обсудить только некоторые
аспекты экологии почвенных грибов. Были описаны
некоторые из трудностей оценки биомассы и активности
грибов. Не самой меньшей из них является наша
относительная неосведомленность о поведении микоризных
грибов в почве, в частности, облигатных или частично
облигатных симбионтов. Интенсивное изучение этих
грибов в почве оправдает себя и заполнит многие из
пробелов в наших знаниях их экологии.
ЛИТЕРАТУРА
'1. Allen R. N., Newhook F. J. Chemotaxis of zoospores of
Phytophthora cinnamoml to ethanol in capillaries of spore
dimensions, Transactions of the British Mycological Society, 61,
287—302 (1973).
2. Ausmus B. S. The use of the ATP assay in terrestrial
decomposition studies, in Modern Methods in the Study of Microbial
Ecology (ed. by T. Rosswall), Bulletins from the Ecological
Research Committee (Stockholm), 17, 223—234 (1973).
3. В j 6 r k m a n E. Monotropa hypopitys L. an epiparasite on tree
roots, Physiologia Plantar urn, 13, 308—329 (1960).
4. В lack we 11 E. M.-The life history of Phytophthora cactorum,
Transactions of the British My col Soc, 26, 71—89 (1943).
5. В о h 1 о о 1 В. В., Schmidt E. L. A fluorescent antibody
technique for determination of growth rates of bacteria in soil, in
Modern Methods in the Study of Microbial Ecology (ed. by T. Ross-
wall): Bull Ecol Res. Comm. (Stockholm), 17, 336—338 (1973).
219
6. В о w е л G. D. Mineral nutrition of ectomycorrhizae, in Ecto-
mycorrhizae — their Ecology and Physiology (ed. by G. C. Marks,
Т. Т. Kozlowski). Academic Press, New York (1973).
7. В г о с к Т. D. Bacterial growth rate in the sea: direct analysis
by thymidine autoradiography, Science, 155, 81—83 (1967).
8. В г о с к Т. D., Brock M. L. Autoradiography as a tool in
microbial ecology, Nature, 209;, 734—736 (1966).
9. В г о с к Т. D., Brock M. L. The application of micro-autora-
dioraphic techniques to 'ecological studies, Mitteilungen Inter-
nationaler Vereinigung fur Theoretisc'he und Angewandte Limno-
logie, 15, 1—29 (1—29).
10. Chen A. W., Griffin D. M. Soil physical factors and the
ecology of fungi. V. Further studies in relatively dry soils,
Transactions of the British MycoL Soc. 49, 419—426 (1966).
11. Cook R. J., Papendick R. I. Soil water potential as a
factor in the ecology of Fusarium roseum f. sp. cerealis 'Culmorum\
Plant and Soil, 32, 131—145 (1970).
12. Cook R. J,, Papendick R. I. Effect of soil water on
microbial growth, antagonism and nutrient availability in relation to
soil-borne fungal diseases of plants, in Root diseases and soil-
borne pathogens (ed. by T. A. Tousson, R. V. Bega, P. E.
Nelson). Univ. of California Press, Berkeley (1971).
13. Cook R. J., Papendick R. I. Influence of water potential
of soils and plants on root disease, Annual Review of
Phytopathology, 10, 349—374 (1972).
14. С о о к R. J., Papendick R. I., Griffin D. M. Growth of
two root rot fungi as affected by osmotic and matrix water
potentials, Proc. SSSA, 36, 78—82 (1972).
15. Daniel son R. M., Davey С. В. The abundance of Trichoder-
ma propagules and the distribution of species in forest soils, Soil
Biology and Biochemistry, 5, 485—494 (1973).
16. Dobbs С G., Hi n son W. H. A widespread fungistasis in
soils, Nature, 207, 1354—1356 (1953).
17. Gray T. R. G., Williams S. T. Soil Microorganisms. Oliver
and Boyd, Edinburgh (1971).
18. Griffin D. M. Soil moisture and the ecology of soil fungi,
Biological Reviews, 38, 141—166 (1963).
19. Griffin D. M. Soil water in the ecology of fungi, Annual
Review of Phytopathology, 7, 289—310 (1969).
20. G r i f f i n D. Щ. Ecology of Soil Fungi. Chapman and Hall,
London (1972).
21. Hacskaylo E. Carbohydrate physiology of ectomycorrhizae, in
Ectomycorrhizae: their Ecology and Physiology (ed. by G. С Marks,.
Т. Т. Kozlowski). Academic Press, New York (1973).
22. Hacskaylo E., Bruchet G. Hebelomas as mycorrhizal
fungi, Bulletin of the Torrey Botanical Club, 99, 17—20 (1972).
23. H a r 1 e у J. L. The Biology of Mycorrhiza, 2nd edition. Leonard
Hill, London (1969).
24. H о 1 m - H a n s e n O. The use of ATP determinations in
ecological studies, in Modern Methods in the Study of Microbial
Ecology (ed. by T. Rosswall). Bulletins from the Ecological
Research Committee (Stockholm), 17, 215—222 (1973).
25. H о г а Т. S., Baker R. Extraction of a volatile factor from
soil inducing fungistasis, Phytopathology, 62, 1475—1476 (1972).
26. Hora T. S., Baker R. Soil fungistasis: microflora producing:
220
a volatile inhibitor, Transactions of the British Mycological Socie-
. ty, 59, 491—500 (1972).
27. Jackson R. M. Studies of fungi in pasture soils. II. Fungi
associsted with plant debris and fungal hyphae in soil, N. Z. /.
Agricultural Research, 8, 865—877 (1965).
28. J о n e s P. С. Т., М о 11 i s о n J. E. A technique for the
quantitative estimation of activity of fungi in soil, /. General Micro-
. biology, 2, 54—69 (1948).
29. Kid st on R., Lang W. H. On Old Red Sandstone plants
showing structure from the Rhyni "Chert bed, Aberdeenshire,
Part V. Transactions of the Royal Society of Edinburgh, 52,
855—902 (1921).
30. Knight R. A. Investigations into the germination of conidia
of Cocliobolus sativus with particular reference to soil fungi-
stasis, PhD thesis, University of Surrey (1970).
31. Lamb R, J., Richards B. N. Some mycorrhizal fungi of
Pinus radiata and P. elliottii var. elliottii in Australia,
Transactions of the British Mycological Society, 54, 371—378 (1970).
32. L a m b R.* J., Richards B. N. Survival potential of sexual
and asexual spores of ectomycorrhizal fungi, Transactions of the
British Mycological Society, 54, 371—378 (1970).
33. L e w i s D. H. Concepts in fungal nutrition and the origin of
biotrophy, Biological Reviews, 48, 261—278 (1973).
34. L e w i s D. H. Microorganisms and plants: the evolution of
parasitism and mutualism, in Evolution in the Microbial World (ed.
M. J. Carlile, J. J. Skehel) Symposium 24 of The Society for
General Microbiology. Cambridge University Press (1974).
35. L о с к w о о d J. L. Soil fungistasis, Annual Review of
Phytopathology, 2, 341—362 (1964).
36. Meyer F. H. Distribution of ectomycorrhizae in native and
man-made forests, in Ectomycorrhizae: their Ecology and
Physiology. Academic Press, New York (1973).
37. M i 11 a r W. N., С a s i d a L. E., Jr. Evidence for muramic acid
in soil, Canadian J. Microbiology, 16, 299—304 (1970).
38. M i г с e t i с h S. M., Zentmyer G. A. Production of oospores
and chlamydospores of Phytophthora cinnamomi in roots and soil,
Phytopathology, 56, 1076—1078 (1966).
39. M о s s e B. Advances in the study of vesicular-arbuscular mycor-
rhiza, Annual Review of Phytopathology, 11, 171—196 (1973).
40. N a g e 1 - D e В о о i s H. M. Preliminary estimation of production
. of fungal mycelium in forest soil layers^ Proceedings of the 4th
Colloquium of the Soil. 2nd Communication of the International
Soil Science Society (1972).
41. Papendick R. I., Cochran V. L., Woody W. M. Soil
water potential and water content profiles with wheat under low
spring and summer rainfall, Agronomy J., 63, 731—734 (1971).
42. P i 11 J. I., С h r i s t i a n J. H. B. Water relations of xerophilic
fungi isolated from prunes, Applied Microbiology, 16, 1853—1858
(1968).
43. Postgate J. R. The viability of very slow-growing
populations: a model for the natural ecosystem, in Modern Methods
in the Study of Microbial Ecology (ed. by T. Russwall). Bulletins
from the Ecological Research Committee (Stockholm), 17,
287—292 (1973).
44. R a m b e 11 i A. The rhizosphere of mycorrhizae, in Ectomycorrhi-
221
zae: their Ecology and Physiology (ed. by G. C. Marks, T. Koz-
lowski). Academic Press> New York (1973).
45. R e e v e s R. J. A study of the biology and ecology of
Phytophthora cinnamomi Rands, PhD thesis, University of Surrey (1972).
46. Reeves R. J. Behaviour of Phytophthora cinnamomi Rands in
different soils and water regimes, Soil Biology and Biochemistry,
7, 19—24 (1975).
47. Reeves R. J., Jackson R. M. Induction of Phytophthora
cinnamomi oospores in soil by Trichoderma viride, Transactions of
the British Mycological Society, 59, 156—159 (1972).
48. Scott W. J. Water relations of food spoilage microorganisms,
Advances in Food Research, 7, 83—127 (1957).
49. Singer J. The Agaricales in Modern Taxonomy, Cramer,
Weinheim (1962).
50. Singer R. Forest mycology and forest communities in South
America. II. Mycorrhiza sociology and fungus succession in the
Nothofagus dombeyi — Austrocedrus chilensis woods of
Patagonia, in Mycorrhizae USDA, Wash., DC (1970).
51. Smith A. M. Ethylene as a cause of fungistasis, Nature, 246,
* 311—313 (1973).
52. Stolzy L. H., Letey J, Klotz L. J., Labanauskas C.K.
Water and areation' as factors in root decay of Citrus sinensis,
Phytopathology, 55, 270—275 (1965).
53. S u s s m a n A. S. Dormancy and spore germination, in The
Fungi, Volume 2 (ed. by G. С Ainsworth, A. S. Sussman).
Academic Press, New York (1966).
54. Swift M. J. The estimation of mycelial biomass by determination
of the hexosamine content of wood tissue decayed by fungi, Soil
Biology and Biochemistry, 5, 321—332 (1973).
55. T h о m a s A., Nicholas D. P,9 Parkinson D.
Modifications of the agar film technique for assaying lengths of mycelium
in. soil, Nature, 206, 105 (1965).
56. T r a p p e J. M. Mycorrhizae-forming Ascomycetes, in Mycorrhizae
(ed. by E. Hacskaylo). USDA, Washington, DC (1971).
57. W a i d J. S., Preston K. J., Harris P. J. A method to
detect metabolically active microorganisms in leaf litter habitats,
Soil Biology and Biochemistry, 3, 235—241 (1971).
58. W a i d J. S., Woodman M. J. A method of estimating hyphal
activity in soil, Pedologie (Ghent), 7, 155—158 (1957).
59. W а к s m a n S. A. Is there any fungus flora of the soil? Soil
Science, 3, 567—589 (1917).
60. W a r с u p J. H. On the origin of colonies of fungi developing
on soil dilution plates, Transactions of the British Mycological
Society, 38, 298—301 (1955).
61. Ware up J. H. Studies on the occurrence and activity of fungi
in a wheatfield soil, Transactions of the British Mycological
Society, 40, 237—262 (1957).
62. War cup J. H. Methods for isolation and estimation of activity
of fungi in soil, in The Ecology of Soil Fungi (ed. by D.
Parkinson, Waid J. S.). Liverpool University Press (1960).
63. Z а к В. Classification of ectomycorrhizae, in Ectomycorrhizae:
their Ecology and Physiology (ed. by G. C. Marks, Т. Т. Kozlow-
ski). Academic Press, New York (1973).
64. Zak В., Marx D. H. Isolation of mycorrhizal fungi from roots
of individuat slash pines,, Forest Science, 10, 214—=222 (1964).
10
РАЗЛОЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМАМИ
ХИМИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ
РАСТЕНИИ
Н. УОКЕР (N. WALKER)
10.1. ВВЕДЕНИЕ
Широкое применение синтетических органических
веществ для борьбы с вредными насекомыми, фитопато-
генными грибами и нематодами и тем самым для
увеличения урожаев сельскохозяйственных культур можно*
в сущности считать послевоенным явлением. Это
развитие происходило с поразительной скоростью на
протяжении последних 25 лет, и в настоящее время выбор
таких химических средств защиты растений очень
обширен. Это развитие и прогрессивно растущее
применение минеральных удобрений явились наиважнейшими
факторами, определившими эффективность и урожаи
современного сельского хозяйства. Судьба этих веществ
в окружающей среде в настоящее время стала
предметом большого беспокойства общественности.
Открытие инсектицидных свойств дихлор-дифенил-
трихлорэтана (ДДТ) в 1939 г. химической компанией
Гейджи вместе с признанием ценности 2,4-дихлорфен-
оксиуксусной кислоты (2,4-Д) как избирательного
гербицида против двудольных сорняков в годы второй
мировой войны было отмечено Норманом, Торнтоном и Ква-
стелем [24], работавшими на Ротамстедской станции, как
начало современной эры защиты растений. Те же
авторы случайно наблюдали также ограниченное время,
существования 2,4-Д в нестерильной почве и, таким
образом, положили начало обширной области исследований
микробного разложения гербицидов и пестицидов.
Кроме того, вышеуказанные открытия характеризуют
два противоположных аспекта этих исследований. Во-
первых, ДДТ, оказавшийся исключительно стойким,
эффективным и не поддающимся разложению
инсектицидом, послужил причиной большой озабоченности
общественности загрязнением окружающей среды, обуслов-
22S
ленным широким применением ДДТ и проистекающими
отсюда опасностями для живой природы. Это
беспокойство было вызвано такими публикациями, как
«Безмолвная весна» Рэчел Карсон [9], и как следствие этого
сильно возросло число исследований остатков
пестицидов в почве, растениях и животных. Напротив, 2,4-Д
представляет собой пример эффективного гербицида,
также используемого в широких масштабах, но лишь с
ограниченным сроком существования в почве, потому
что он легко разлагается многими почвенными
микроорганизмами [25].
Таким образом, метаболическое преобразование
2,4-Д и родственных ему соединений многими видами
микробов, пути этого метаболизма и происходящие при
этом ферментные реакции были исследованы очень
детально [12, 14]. В то же время эти исследования
пролили свет на очень разнообразные потенциальные
возможности микроорганизмов [25]. Исследования проблем
этого рода, затрагивающие различные аспекты
загрязнения окружающей среды, стали настолько обширными,
что оправдывают издание ряда специальных журналов,
посвященных этой тематике; в дополнение к этому
многочисленные книги, статьи и обзоры, опубликованные до
настоящего времени, служат достаточным
доказательством огромного объема выполненной работы. В этой
главе мы попытаемся рассмотреть некоторые
общие принципы, лежащие в основе исследований роли
почвенных микроорганизмов в разложении соединений,
используемых для защиты растений и близких к ним,
причем будут приведены немногие примеры
исследований, в которых принимал какое-то участие сам автор.
10.2. УСТОЙЧИВОСТЬ И СОХРАНЯЕМОСТЬ
СИНТЕТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИИ В ПОЧВЕ
Почвы — это сложные смеси выветрившихся
минералов и органических остатков растений и животных на
разных стадиях разложения, и, кроме того, они
содержат массу разнообразных растительных, животных и
микроскопических организмов. Почвы подвергаются
многим физическим, химическим и климатическим
воздействиям, включая колебания температуры, увлажнение и
высыхание, излучения, ветер, эрозию и т. д. Как след-
224
ствие химические вещества, вносимые в почву,
аналогичным образом подвергаются воздействию различных
химических, физических и биологических сил, и они
могут реагировать или разрушаться многими путями. Здесь
будет рассмотрено только влияние микроорганизмов, но
нужно постоянно отдавать себе отчет, что вещества,
поступающие в почву, могут быть рассеяны или
разложены механизмами иными, чем биологические, такими, как
вымывание, улетучивание, окисление, химические и
фотохимические реакции, а также процессами,
происходящими в растениях и животных.
Только в отношении очень стойких, нерастворимых
соединений можно ожидать, что они останутся в почве
длительное время не измененными такими влияниями
внешней среды, и, конечно, в эту категорию входят ряд
веществ, которые используются или использовались для
сельскохозяйственных целей. Многие из них — это
хлорированные углеводороды, например ДДТ [26], алдрин,
дилдрин, гептахлор и др. [22], но другие вещества,
например некоторые триазиновые гербициды (симазин),
столь же стойки и так трудно разлагаются, что любое
медленное воздействие на них микроорганизмов вряд ли
может рассматриваться как нормальный метаболизм.
Молекулы этого рода были названы Александером [1]
«стойкими», и, как правило, они очень устойчивы против
микробиологического разложения. Так, несмотря на
разностороннюю биохимическую деятельность
микроорганизмов, многие органические молекулы совершенно не
поддаются их воздействию. Сохраняемость веществ этого
рода в почве иногда определялась измерением периода
их «полураспада», т. е. времени, требующегося для того,
чтобы начальная концентрация вещества снизилась
наполовину; некоторые из стойких инсектицидов,
производных хлорированных углеводородов, имеют
период полураспада продолжительностью в несколько
лет [38].
10.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АРОМАТИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИИ МИКРООРГАНИЗМАМИ
Многие химические средства защиты растений по
своей природе относятся к ароматическим, т. е. они
являются производными бензола или аналогичных карбо-
циклических углеводородов.
15 Почвенная микробиология
225
Устойчивость соединений с углеродным кольцом
была установлена химиками уже в начале развития
производства красителей из каменноугольной смолы и
химической промышленности во второй половине XIX в.
Тем не менее, несмотря на то что разложение
бактериями таких ароматических соединений, как фенол или
толуол, было известно с начала текущего столетия,
способность микроорганизмов разрушать бензольное кольцо
так легко по сравнению с сильнодействующими
реагентами, требующимися химикам для расщепления
ароматического ядра, все еще производит большое
впечатление. Полезно отметить, однако, что концентрация —
это фактор, также определяющий возможность роста
бактерий, например, на фенолах как единственном
источнике углерода. Немногие бактерии могут усваивать
фенол, если его концентрация превышает 0,1%, и для
большинства необходимо, чтобы эта концентрация не
превышала 0,05%. С другой стороны, фенол в
концентрации выше 0,1% становится бактерицидным, и его
эффективность как антисептического средства
повышается хлорированием, о чем свидетельствует увеличение
коэффициента Райдила — Уокера. Соответственно
концентрации моно- и дихлорфенолов в водном растворе,
в котором они будут доступны для бактериального
разложения, гораздо ниже, чем самого фенола.
Фактически 2,4-дихлорфенол метаболизируется бактериями,
когда его концентрация меньше 0,005%.
Возможно, первым детальным биохимическим
исследованием бактериального преобразования фенола и
бензойной кислоты была публикация Ивенса [11] в 1947 г.
в развитие более ранней работы Хаппольда о
разложении фенола и тиоцианата в сточных водах
коксовальных печей в 1930-х годах. Ивенс [11] установил, что
Vibrio 01 разлагал и фенол и бензойную кислоту через
пирокатехин, хотя некоторое время предполагалась
возможность преобразования бензойной кислоты через гид-
роксибензоат. После разрыва кольца была обнаружена
неустановленная кетокислота с положительной
реакцией Ротера.
Последующие работы ряда других исследователей со
временем выявили два пути метаболизма. Один идет
через cis, m-муконовую кислоту, муконолактон, (3-кето-
адипиновую кислоту, янтарную, уксусную и
муравьиную кислоты в конечном итоге до СОг- Другой
226
путь ведет через полуальдегдц гидроксимуконовой
кислоты. Эти два механизма разрыва кольца обусловлены
двумя различными полифенолоксидазами, из которых
одна производит разрыв между первым и вторым
атомами углерода («орто»-разрыв), а вторая — разрыв
между вторым и третьим атомами («мета»-разрыв). Помимо
других авторов, эти механизмы обсуждались Стань-
ером, Паллерони и Дудоровым [31], и много
исследований было проведено по генетическому регулированию
и индуцированию этих механизмов поликатехинового
разрыва у различных видов бактерий. Еще позже было
получено доказательство анаэробного превращения бен-
зоата Rhodopseudomonas palustris [10, 16], хотя
анаэробное использование бензоата микробами,
образующими метан, было известно уже в течение некоторого
времени [32]. Тем не менее разложение углеводородов
и ароматических веществ микроорганизмами обычно
происходит в аэробных условиях, и наиболее обычный
механизм разложения связан с гидроксилированием, где
ключевыми промежуточными продуктами до разрыва
кольца являются о-дигидроксисоединения.
Другие карбоциклические соединения, например
нафталин, фенантрен, производные дифенила, также
восприимчивы к микробному окислению, и возможное
разложение этих соединений и их производных усиленно
изучалось. Например, Александер и Лустигманн [3]
использовали быстрый метод отбора, основанный на
отсутствии характерного спектра поглощения
ультрафиолетового излучения, после разрыва бензольного кольца,
чтобы выявить биологическое разложение таких
соединений в почве. Ароматические соединения, обладающие
электронодонорными заместителями, такими, как ОН,
алкильные или NH2 группы, обычно более склонны к
окислительному метаболизму, чем соединения с электро-
ноакцепторными заместителями, такими, как NO2,
галоген или SO3H [2]. Аналогичным образом при реакции
пероксидазы с однозамещенными анилинами
повышенная реактивность отмечается у заместителей с
увеличивающейся плотностью электронов [6]. Знание
подверженности исходных ароматических соединений к
разложению микробами дает полезную основную информацию
для исследований более сложных пестицидных
веществ.
15*
227
10.4. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ
НЕКОТОРЫХ ГЕРБИЦИДОВ
И ЯДОХИМИКАТОВ
Самые первые исследования разложения гербицидов
микроорганизмами велись с 2,4-дихлорфеноксиуксусной
кислотой (2,4-Д), 4-хлор-2-метилфеноксиуксусной
кислотой (2М-4Х) и родственными им соединениями [4], и
эта работа имеет особенное отношение к теме, потому
что она иллюстрирует некоторые общие методики и
методы исследования. Одус [4] изучал динамику
исчезновения 2,4-Д и 2М-4Х из почвы и доказал, биологическую
природу этого процесса. Когда разбавленный раствор
2,4-Д непрерывно просачивался сквозь колонку
почвенных комков путем рециркуляции, в ходе снижения
концентрации отмечали три фазы. Первоначально легкое
снижение концентрации 2,4-Д объясняли адсорбцией
небольшого количества ее на почве. Затем следовал
довольно долгий период почти без всяких изменений в
концентрации, и это свидетельствует о запаздывании
(лаг-периоде) в течение которого в результате мутаций
или адаптации начала развиваться популяция
микроорганизмов, способных метаболизировать 2,4-Д. Третья
фаза характеризовалась быстрым логарифмическим
разложением 2,4-Д, совпадающим с ростом
приспособленной к 2,4-Д популяции микроорганизмов, и он
прекращался, только когда истощался запас 2,4-Д. Вторая
доза 2,4-Д разлагалась немедленно в течение 2—Здней
с аналогичной скоростью, и при этом не отмечалось ни
адсорбции, ни периода запаздывания. На использование
2,4-Д адаптированными микроорганизмами влияли
только такие факторы, которые, как правило, вообще
сказываются на росте аэробных бактерий, подобно
температуре, рН, условиям увлажнения, аэрации и наличию
субстрата или других питательных веществ.
Приобретают ли микробы способность использовать чужеродные
вещества в результате мутаций или благодаря индукции
образования ферментов, это все еще остается
нерешенной проблемой. Доказательства того, что разложение
гербицидов или ядохимикатов в почве производится
микроорганизмами, дают также исследования влияния
ингибиторов (азид натрия, цианаты, хлороформ),
пастеризации или стерилизации на скорость исчезновения
вещества.
228
Подходы подобного рода **асто использовались в
последующих исследованиях судьбы пестицидов в почве.
Конечное доказательство микробиологического
разложения конкретного химиката, используемого для защиты
растений, обычно получают путем выделения
эффективного организма и демонстрации его способности
разлагать химикат в чистой культуре или ферментативно
[12, 14]. Если химикат может быть использован
микроорганизмом как источник углерода для питания, то в
этих случаях разложение обычно бывает полным. Если
внесение пестицида в почву приводит со временем к его
микробиологическому разложению и как следствие
росту приспособленной микробной популяции, то
последующее внесение пестицида заканчивается его более
быстрым разложением, и таким образом он менее долго
сохраняется в почве.
Теперь можно привести некоторые примеры
микробиологического разложения различных пестицидов. Па-
ратион (о,о-диэтил о-/га/?а-нитрофенилтиофосфат),
типичный фосфорорганический инсектицид, разлагается
различными почвенными микроорганизмами. Его
инсектицидная активность зависит от его ферментативного
преобразования в кислородный аналог, пароксон. В
анаэробных условиях [28, 29] затопляемых рисовых полей
он может быть гидролизован микроорганизмами до
р-нитрофенола и минерального фосфата или же в
присутствии углеводов восстановлен до р-аминопаратиона.
Паранитрофенол метаболизируется некоторыми
псевдомонадами [27], которые расщепляют нитрогруппу до
свободной азотистой кислоты и гидрохинона.
Гидрохинон может дальше метаболизироваться другими видами
псевдомонад.
До настоящего времени нет доказательства, что ни-
трогруппа паратиоиа гидролизуется аналогичным
образом. Таким образом, разложение паратиона довольно
сложное и в каждом конкретном случае зависит от
организмов и от почвенных условий.
Другие фосфорорганические инсектициды также
подвергаются микробному разложению. Например, малати-
он [23] может быть разложен до различных
промежуточных продуктов видами клубеньковых бактерий (Rhi-
zobium) или Trichoderme viride. Эти инсектициды, как
правило, гораздо менее устойчивы, чем прежние, очень
стойкие хлорорганические соединения [22].
229
Фенилкарбамат, фенилмочевина и ациланилидные
соединения используются в настоящее время для защиты
растений как фунгициды, гербициды или инсектициды, и
почти все они представляют собой производные
различных замещенных анилинов. О большинстве известно,
что они разлагаются в почве микроорганизмами, причем
обычно освобождаются исходные анилины, несмотря на
то что пути разложения могут быть разными [20, 35].
Микробное разложение анилиновых соединений — это
важный аспект судьбы таких гербицидов в почве. Хилл
и др. [17] установили, что почвенные организмы
способны использовать монурон (3-парахлорфенил-1,1-диметил-
карбамид) в качестве источника углерода, и позднее
было доказано, что другие организмы, включая грибы,
разлагают монурон; было выяснено, что линурон — хлор-
производное монурона — также разлагался с
освобождением 3,4-дихлоранилина. Гейссбюлер и др. [15] изучали
более сложное вещество — хлороксурон и установили,
что оно разлагается поэтапно с образованием 4-хлор-
феноксианилина. Известно, что анилин и некоторые из
его хлорпроизводных преобразуются определенными
бактериями в процессах обмена, но наблюдалось также,
что моно- или дихлоранилины могут в почве
небиологически преобразовываться в хлорзамещенные
азобензолы. Однако такие побочные продукты нормально
невозможно обнаружить в почве, в которую вносят
соответствующие фенилкарбамидные или фенилкарбаматные
гербициды в обычных дозах. В почве обнаружили ди-,
три- и тетрахлорбензолы после внесения избыточных
доз указанных гербицидов. Кауфман и Блейк [20]
отметили, что пропам (изопропилкарбанилат), пропанил (ди-
хлориропионанилид), солан (3'-хлор-2-метил-р-валеро-
толуидид) разлагались в различных почвенных
накопительных культурах так же, как и чистыми культурами
выделенных из них микроорганизмов. В каждом случае
гербицид исчезал и освобождались исходные анилин и
ионный хлор. Участвовавшие в этом организмы
включали псевдомонад, виды Achromobacter и ряд грибов
{Aspergillus, Penicillium и виды Fusarium). Кауфман и
Кирни [21] получили препараты ферментов из одного
вида псевдомонад, гидролизовавших сложноэфирную
связь фенилкарбаматов с образованием спирта и
исходного анилина. Бахофер, Олтманнс и Лингенс [5]
описали сходный с Nocardia почвенный микроорганизм, рос-
230
ший на различных карбоксианилидных фунгицидах, так
же как и на феноле, пирокатехине, анилине и протока-
техине. Преобразовались также фунгициды о-толуани-
лид и 2,5-диметилфуран-З-карбоксианилид и гербицид
изопропил-1М-фенилкарбамат. Валлнёфер и его коллеги
[34, 35] изучали разложение ряда фенилкарбамидных
гербицидов почвенным штаммом Bacillus sphaericus.
Они доказали, что В. sphaericus гидролизует ациламид-
ную группу с образованием соответствующих анилинов
и кислот; 2-метил и 2-хлорбензойнокислотные анилины
и различные N'-метоксифенилкарбамиды, монолинурон,
линурон, метабромурон и малоран — все эти вещества
разлагаются. Предположительный путь разложения
таков:
-NHCOR3+H20->Rif \nH2+R3COOH,
R2 _
где Ri, R2 = C1; R3=NH-Alk, O-Alk, алкильная группа.
Авторы доказали также присутствие ациламидазы в
вытяжках из В. sphaericus, свободных от клеток.
Микробное разложение контактных гербицидов дик-
вата и параквата со свободным радикалом
представляет некоторый интерес. Эти соединения эффективны как
гербициды сплошного действия для обработки
надземных частей растений, но они быстро инактивируются в
результате адсорбции на почве [8]. Они действуют
быстро и пригодны в качестве дессикантов на полях
картофеля или других культур, а также при коренном
обновлении пастбищ без их распашки.
Было установлено, что один из видов дрожжей Ыро-
myces starkeyi разлагает паракват (1,Г-диметил-4,4'-би-
пиридилийдихлорид), используя его в качестве
источника азота. Другие организмы также разлагают паракват,
но не так эффективно [8]. Берне и Одус [7] при
недавнем исследовании поведения параквата в почве
подтвердили эти данные о Lipomyces и доказали, что
паракват при адсорбции на органическом веществе почвы
все еще оставался доступен для разложения этим
дрожжевым грибом, но что адсорбция на глинистых
минтралах была необратимой и паракват больше не
разлагался этим видом дрожжей. Другими исследователями
был найден ряд микроорганизмов, способных разлагать
паракват; например, один вид Pseudomonas превращал
231
его в хлорид 4-карбоксил-1-метилшфидиниума.
Сообщалось, что дикват еще легче разлагается почвенными
бактериями. Многие другие исследования разложения
гербицидов и пестицидов микроорганизмами были
описаны в литературе, в частности в различных
монографиях, перечисленных в конце этой главы [36—41].
10.5. РОЛЬ СООКИСЛЕНИЯ
В РАЗЛОЖЕНИИ ПЕСТИЦИДОВ
Во многих случаях возможность использования и тем
самым разложения чужеродного синтетического
соединения, попадающего в почву, почвенными
микроорганизмами зависит от индукции образования подходящей
ферментной системы у потенциально активных
микроорганизмов.
После такой адаптации такие микроорганизмы
получают экологическое преимущество перед огромным
числом других микроорганизмов в том, что они могут
использовать чужеродную молекулу как источник углерода
и энергии и, таким образом, численно превзойти все
другие организмы, существующие в почве на предельно
скудном запасе доступных субстратов. Отсюда следует,
что адаптировавшаяся микробная популяция затем
разрастается на ее новом источнике углерода и при этом
разлагает чужеродную молекулу, обычно поэтапно, в
конечном счете до С02 и воды. Иногда имеются разные
пути метаболизма, которыми эти субстраты катаболизи-
руются в различных организмах, однако число таких
путей строго ограничено. Например, 2,4-Д может быть
разложена двумя и, возможно, тремя различными
начальными путями примерно десятком видов бактерий,
способных преобразовывать этот гербицид. Обычно
разложение, производимое индуцированными ферментными
системами микроорганизмов, согласуется с гипотезой
одновременной адаптации Станьера, и это часто
полезный метод определения промежуточных продуктов,
образующихся в ходе метаболизма.
Тем не менее имеется еще один механизм,
позволяющий микроорганизмам производить по меньшей мере
частичное разложение некоторых чужеродных молекул,
а именно путем соокисления, или кометаболизма,
веществ, представляющих собой аналоги нормальных суб-
232
стратов. Этот термин — комретаболйзм— впервые был
применен Дж. Фостером, наблюдавшим ограниченное
окисление некоторых ароматических углеводородов,
внесенных в активные культуры Nocardia, растущие на
предельных углеводородах. Этот организм хорошо рос,
например, на гексадекане как единственном источнике
углерода и энергии, но не' мог использовать метилнаф-
талин или мезитилен (1,3,5-триметилбензол). После
добавления каждого из этих двух соединений к гексадека-
новой культуре происходило окисление обоих
ароматических соединений до карбоновых кислот, соответственно
до нафтойной (нафталинкарбоновой) и р-изопропил-
бензойной кислот. В результате работы автора на Ро-
тамстедской станции в 1951 г. по изучению возможного
разложения хлорбензойных кислот микроорганизмами
удалось выделить почвенный вид Corynebacterium,
клетки которой, выращенные на бензоате, поглощали
кислород в присутствии 3- или 4-хлорбензоата. В то время
причина этого не была ясна, но сейчас это можно
считать примером кометаболизма.
В последнее время было проведено много
исследований кометаболизма галоидзамещенных бензойных
кислот и фенолов, монохлорбензоатов или монохлорфено-
лов, окисляемых до хлоркатехина [33]. Хорват [18, 19]
сообщал о кометаболизме гербицидов 2,4-5-Т и 2,3,6-три-
хлорбензойной кислоты адаптированными к бензоатам
бактериями. Фохт и Александер [13] описали комета-
болизм некоторых более простых аналогов ДДТ, а
Раймонд и Александер [27] обнаружили, что организм,
выросший на р-нитрофеноле, возможно, какой-то вид Fla-
vobacterium, окислял изомерный m-нитрофенол до ни-
трохинола, хотя нитрофенол не был пригоден для
питания организма.
Споке и Уокер [30] обнаружили несколько
различных родов почвенных бактерий, которые после
адаптации к фенолу или бензоату могли затем окислять
различные хлорфенолы или хлорбензоаты до хлоркатехина
или в одном случае выращенная на бензоате Bacillus
окисляла 3-хлорбензоат до 3-хлор-2,3-дигидробензоата.
Во всех этих реакциях образование производных
пирокатехина означает, что продукт становится более
податливым к дальнейшему химическому или биологическому
окислению. В этом отношении даже частичное
окисление становится шагом вперед в направлении конечной
233
детоксикации стойких хлорированных ароматических
соединений.
Хотя целью значительной части недавних
исследований микробиологического разложения пестицидов
было установление разложения изучаемых пестицидов в
почве без какого-либо накопления возможно токсичных
промежуточных продуктов, одновременно были
получены также данные об относительной устойчивости многих
соединений. Часто число замещающих атомов хлора в
соединении или положение заместителя оказывают
решающее влияние на устойчивость соединения против его
разложения микроорганизмами. Так, 4-хлорфеноксиук-
сусная кислота и 2,4-Д легко разлагаются бактериями,
тогда как 3-хлор или 2,4,5-трихлорфеноксиуксусная
кислоты очень устойчивы против разложения. Информация
такого рода может быть полезной для оценки
потенциальной стойкости и отсюда времени сохраняемости в
почве новых соединений. Для почвенного микробиолога
исследования описанного типа также открывают
неодинаковую способность микроорганизмов реагировать с
видимо стойкими и новыми для них синтетическими
веществами или даже преобразовывать их в процессах
метаболизма. Эта область исследований, вероятно, будет
расширяться по мере передачи все большего
количества синтетических химикатов для применения в сельском
хозяйстве.
Л ИТЕРАТУРА
1. Alexander M. Microbial Ecology, 413—416. Wiley, New York
(1971).
2. Alexander M., Aleem M. I. H. Effect of chemical structure
on microbial decomposition of aromatic herbicides, /. Agricultural
and Food Chemistry, 9, 44—47 (1961).
3. Alexander M., Lustigman В. К. Effect of chemical
structure on microbial degradation of substituted benzenes, /.
Agricultural and Food Chemistry, 14, 410—413 (1966).
4. A u d u s L. J. The biological detoxication of hormone herbicides
in soil, Plant and Soil, 3, 170—192 (195Г).
5. Bachofer R., Oltmanns O.., Lingens F. Isolation and
characterisation of a Nccardia-like bacterium grovving on carbo-
xyanilide fungicides, Archiv fur Mikrobiologie, 90, 141 — 149
(1973).
6. Bordeleau L. M., В а г t h a R. Biochemical transformations
of herbicide-derived anilines., requirements of molecular
configurations, Canadian J. Microbiology, 18, 1873—1882 (1972).
7. В u r n s R. G., A u d u s L. J. Distribution and breakdown of
Paraquat in soil, Weed Research, 10, 49—58 (1970)
234
8. Calderbank A. The bipyrfclylium herbicides, Advances in
Pest Control Research, 8h 127—235 (1968).
9. Carson Rachel. Silent Spring. Hamish Hamilton, London
(1963).
10. Dutton P. L., Evans W. С The metabolism of aromatic
compounds by Rhodopseudomonas palustris, Biochemical J., 113,
525-536 (1969).
11. Evans W. С Oxidation of phenol and benzoic acid by some
soil bacteria, Biochemical J., 41, 373—382 (1947).
12. Evans W. C, Smith B. S. W., Fern ley H. N.. Da
vies J. I. Bacterial metabolism of 2,4-dichlorophenoxyacetate,
Biochemical J., 122, 543—551 (1971).
13. Focht D. D., Alex and er M. Aerobic cometabolism of DDT
analogues by Hydrogenomonas sp., /. Agricultural and Food
Chemistry, 19, 20—22 (1971).
14. Gaunt J. K„ Evans W. С Metabolism of 4-chloro-2-methyl-
phenoxyacetate by a soil pseudomonad, Biochemical J., 122,
519—526 (1971).
15. Geissbuhler H., Haselbach C, Aebi H., Ebner L.
The fate of N,-(4-chlorophenoxy)-phenyl-NN-dimethylurea
(C—1983) in soils and plants. III. Breakdown in soils and
plants, Weed Research, 3, 277—297 (1963).
16. Guyer M., He gem an G. Evidence for a reductive pathway
for the anaerobic metabolism of benzoat©, /. Bacteriology, 99,
906—907 (1969).
17. Hill G. D., McGahen J. W., Baker H. M., Finner-
tу D. W., Bingeman С W. The fate of substituted urea
herbicides in agricultural soils Agronomy J., 47, 93—104
(1955).
18. Horvath R. S. Microbial cometabolism of 2,4,5-T, Bulletin of
Environmental Contamination and Toxicology, 5, 537—541
(1970).
19. Horvath R. S. Cometabolism of the herbicide 2,3,6-trichloro-
benzoate, /. Agricultural and Food Chemistry, 19, 291—293 (1971).
20. К a u f m a n D. D., Blake J. Microbial degradation of several
acetamide, acylanilide, carbamate, toluidine and urea pesticides,
Soil Biology and Biochemistry, 5, 297—308 (1973).
21. Kaufman D. D., Kearney P. C. Microbial degradation of
isopropyl-N-3-chlorophenylcarbamate and 2-chloroethyl-N-3-chloro-
phenylcarbamate, Applied Microbiology, 13, 443—446 (1965).
22. L i с h t e n s t e i n E. P., S с h u 1 z K. R., F u h r e m a n n T. WM
Liang Т. Т. Degradation of Aldrin and Heptachlor in field
soils during a ten-year period, /. Agricultural and Food Chemistry.
18, 100—106 (1970).
23. Most af a I. Y<, Fakhr I. M. I., В a h i g M. R. E., El - Z a -
w a h г у Y. A. Metabolism of organophosphorus insecticides.
XIII. Degradation of Malathion by Rhizobium spp., Archiv fur
Mikrobiogie, 86, 221—224 (1972).
24. N u t m a n P. S., T h о r n t о n H. G., Q u a s t e 1 J. IT. Inhibition
of plant growth by 2,4-dichIorophenoxyacetic acid and other plant
growth substances, Nature, 155, 498—500 (1945).
25. P a i n t e r H. A. Biodegradability, Proceedings of the Royal
Society В., 185, 149—158 (1974).
26. P f a e n d e r F. K-, Alexander M. Extensive microbial
degradation of DDT in vitro and DDT metabolism by natural com-
235
munities., /. Agricultural and Food Chemistry, 20, 842—846
(1972).
27. Raymond D. G. M., Al ex a n d e г М. Microbial metabolism
and cometabolism of nitrophenols, Pesticide Biochemistry and
Physiology, 1, 123—130 (1971).
28. Sethunathan N., Yoshida T. Parathion degradation in
submerged rice soils in the Philippines, J.' Agricultural and Food
Chemistry, 21, 504—506 (1973).
29. Siddaramappa R., Rajaram K. P., Sethunathan N.
Degradation of Paration by bacteria isolated from flooded soil,
Applied Microbiology, 2fy 846—849 (1973).
30. S p о к е s J. R., Walker N. Chlorophenol and chlorobenzoic
acid cometabolism by different genera of soil bacteria, Archives
of Microbiology, 96, 125—134 (1974).
31. Stanier R. Y., Palleroni N. /., Doudoroff M. The
aerobic pseudomonads: a taxonomic study, /. General
Microbiology, 43, 159—271 (1966).
32. T a r v i n D., В u s w e 11 A. M. The methane fermentation of
organic acids and carbohydrates, /. American Chemical Society,
56, 1751—1755 (1934).
33. W a 1 к е г N. Metabolism of chlorophenols by Rhodotorula glu-
tinis, Soil Biology and Biochemistry, 5, 525—530 (1973).
34. W a 11 n 6 f e r P. The decomposition of urea herbicides by
Bacillus sphaericus isolated from soil, Weed Research, 9, 333—339
(1969).
35. W a 11 n б f e r P., E n g e 1 h a r d t G. Der Abbau von Phenylami-
den durch Bacillus sphaericus, Archiv fur Mikrobiologie, 80,
315—323 (1971).
36. Degradation of Hebricides (ed. P. С Kearney, D. D. Kaufman).
Marcel Dekker, New York (1969).
37. Ogranic Chemical in the Soil Environment (ed. by С. А. I.
Goring, J. W. Hamaker). Marcel Dekker,, New York (1972).
38. Environmental Pollution by Pesticides (ed. by C. A. Edwards).
Plenum Press, London (1973).
39. Helling С S., Kearney P. C., Alexander M. Behaviour
of pesticides in soils, Advances in Agronomy, 23 (147—240)
(1971).
40. Menzer R. E. Biological oxidation and conjugation of pesti-
cidal chemicals, Residue Reviews, 48, 79—116 (1973).
41. Wright S. J. L. Degradation of herbicides by soil
microorganisms, in Microbial Aspects of Pollution (ed. by G. Sykes,
F. A. Skinner), 233—254. Society for Applied Bacteriology
Symposium Series No. 1; Academic Press, London (1971).
11
ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ БИОЦИДАМИ
НА ПОЧВЕННЫЕ ОРГАНИЗМЫ
Д. С. ПОУЛСОН (D. S. POWLSON)
11.1. СТЕРИЛИЗАЦИЯ И ЧАСТИЧНАЯ
СТЕРИЛИЗАЦИЯ ПОЧВЫ
Большинство почв содержит большую и
разнообразную популяцию микроорганизмов. Некоторые из них по
природе устойчивы к неблагоприятным условиям
окружающей среды, и почвенное органическое вещество
может защитить организмы от биоцидных химикатов путем
поглощения биоцида и снижая, таким образом, его
эффективную концентрацию [49]. Поэтому неудивительно,
что почва — трудный материал для стерилизации.
Небольшие количества почвы можно стерилизовать путем
автоклавирования или обработки достаточной дозой
ионизирующего излучения. Пропаривание, сушка в
печи, облучение низкими дозами и обработка
определенными химикатами часто создают в почве условия,
близкие к стерильным, и все эти обработки называют
«частичная стерилизация». Иногда этот термин применяют
и к менее биоцидным обработкам, таким, как
воздушная сушка, промораживание или механическое
перемешивание. В этой главе все подобные обработки
обозначаются как биоцидные, но с уточнением, когда это
необходимо (например, сильнобиоцидная, слабобиоцид-
ная). Термин «стерилизация» применяется далее лишь
в его буквальном смысле, а противоречивый термин
«частичная стерилизация» автором исключен.
11.2. БОРЬБА С ПОЧВЕННЫМИ ВОЗБУДИТЕЛЯМИ
БОЛЕЗНЕЙ РАСТЕНИЙ
ПУТЕМ БИОЦИДНЫХ ОБРАБОТОК
В сельском хозяйстве и садоводстве бывают
ситуации, когда с почвенными возбудителями болезней
растений можно бороться с помощью сильных биоцидных
обработок, воздействующих на большинство групп поч-
237
венной популяции. Самая древняя из этих обработок —
нагревание. Положительное влияние выжигания
послеуборочных остатков было известно римлянам и с давних
пор было известно в Индии [102]. Широко
практикуется прогревание тепличных почвогрунтов паром или
паровоздушной смесью в борьбе с болезнями растений,
вызываемыми грибами или нематодами.
На протяжении более ста лет для фумигации почвы
применялись летучие химикаты, чтобы уничтожать
возбудителей болезней. Титц [119] и Вильгельм [129]
описали ранние исследования по фумигации почвы и
теории, разработанные для объяснения ее
благоприятного влияния на рост растений. Сероуглерод был первым
химикатом, применявшимся в качестве почвенного
фумиганта. Фумиганты, используемые в настоящее время,
включают бромистый метил, трихлорнитрометан
(хлорпикрин), дихлорпропен (в смеси с дихлорпропаном и
углеводородом с тремя атомами углерода, т. е. препарат
Д-Д), дибромэтил, метилизоцианат и формалин.
Кроме того, используются некоторые соединения,
разлагающиеся в почве с образованием фумигантов, например на-
бам (этилен-бис-дитиокарбамат натрия),
разлагающийся до сероуглерода, вапам (N-метилдитиокарбамат
натрия) и милон (3,5-диметил-1,3,5-2Я-тетрагидротиади-
азин-2-тион), которые оба разлагаются до метилизотио-
цианата. Физические аспекты фумигации почвы,
включая факторы, влияющие на движение фумигантов сквозь
почву, рассмотрены в обзорах Горинга [49, 50].
В различных обзорах [39, 49, 68, 85, 87, 129, 132]
содержатся многие ссылки на предотвращение болезней
растений с помощью фумигантов и на полученные в
результате прибавки урожая. В производственных
условиях фумиганты применяются главным образом при
выращивании очень ценных культур вследствие высокой
стоимости обработки, хотя она может быть ниже, если
фумигант вносят только в рядки, а не на всей
площади. В некоторых странах (США, Нидерланды)
фумиганты применяют в полевых масштабах при выращивании
плодов, овощей, цветов и цветочных луковиц. Здесь
успешно восстановили продуктивность почв, длительное
время находившихся под монокультурой и считавшихся
«истощенными»; примерами могут служить
восстановление цитрусовых насаждений в Калифорнии [129] и
плодовых насаждений в Нидерландах [39, 56]. В Англии
238
почвенные фумиганты применялись главным образом
для тепличных культур, а также в лесопитомниках [4].
Недавно благодаря фумигации почвы в полевых
условиях с использованием Д-Д, хлорпикрина, дибромэтана
или телона (в основном 1,3-дихлорпропен) удалось
подавить корневых нематод (виды Trichodorus) и
игольчатых нематод (виды Longidorus), вызывающих
сильнейшую задержку роста сахарной свеклы [127].
Фумигация только рядков, куда позднее будут высеяны
семена сахарной свеклы, позволяет рентабельно вести
борьбу с этими вредителями [128].
Экспериментально биоцидная обработка может
применяться для выяснения, не вызвана ли та или иная
ненормальность в росте растений химическим (например,
недостатком питательного вещества) или биологическим
фактором (например, паразитической нематодой). При
изучении какого-либо почвенного организма может
оказаться необходимым устранить другие организмы
предварительной стерилизацией почвы.
11.3. ИЗМЕНЕНИЯ В ПОЧВЕННОЙ ПОПУЛЯЦИИ
Обзоры данных о влиянии биоцидных обработок на
химические и биологические свойства почвы
публиковались многократно. Поулсон [91] перечислил 28, а Го-
ринг [50]—26 обзоров только по фумигации почвы.
Большая часть влияний была установлена 50 лет назад
и обсуждалась неоднократно [2, 10, 17, 32, 45, 53, 54,
67, 69, 75, 76, 79, 85, 118, 121, 122, 126, 129].
По самому их определению биоцидные обработки
убивают организмы, и, таким образом, их численность
в почве снижается. Этот раздел посвящен в основном
относительной смертоносности различных обработок и
изменениям в популяциях, происходящим после
первоначального снижения численности.
ФУМИГАНТЫ И ТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА
Сильно биоцидные обработки, такие, как
фумигация, пропаривание или высушивание в печи с
последующим увлажнением, оказывают в общем аналогичное
влияние на численность организмов. Результаты,
полученные Ребером [93], показывают, что происходит в
почве, обработанной хлорпикрином (рис. 23). В таблице 5
239
140
"cS
^ 100
^Z
3
-
■»
: \
\ \
• fi
m\
A A A 7
о о о 2
a ■ ш J
\
Щ. lb
1 \
C£ i i i i i i i I i i i i l
6 8 10
Время, недели
П
14 16
5>
I
I
к
У
•А
>'Ч>.
-9-- ф/'А^ф—р- ^■:у-у1'У
А
У
6 8 10
Время, не дела
^yjfri-pffi
12
1*i 16
180Л
140
^100
I
■I 60
го\
V/
\y-\u
/
i..yrg--^---%f^^-^^T"^^^T-"f
♦ В 8 10
Время, недели
1Z 14 W
Рис. 23. Влияние фумигации хлорпикрином и инокуляции
свежей почвой на численность бактерий, актпномицетов и
грибов в почве [93]:
/ — контроль; 2 — хлорпикрин; 3 — хлорпикрии + ипокулюм.
[75] показано действие различных фумигантов на ряд
бактерий и актиномицетов в почве.
Одним из наиболее показательных оказывается
влияние на численность бактерий: после начального
снижения она быстро возрастает и намного превосходит
численность бактерий в необработанной почве (контроле).
Время, когда достигается максимальная численность,
колеблется в зависимости от характера обработки,
типа почвы и условий опыта. Обычно максимум
наблюдается несколько раньше, если обработанную почву
инокулируют свежей почвой, и тогда достигаемая
численность может быть большей (рис. 23). Чем более
эффективна биоцидная обработка, тем меньше популяция
выживающих организмов и тем медленнее последующее
повторное заселение. Сообщая о влиянии биоцидных
обработок на численность почвенных организмов,
важно указать, сохранялась ли обработанная почва в
стерильных условиях, инокулировалась свежей почвой или
же оставалась открытой для случайного загрязнения.
После первоначального возрастания численность
бактерий снижается и постепенно приближается к их
численности в необработанной почве, но время,
требующееся для этого, может колебаться от примерно 14 недель
до более года (табл. 5). В численности бактерий может
Таблица 5. Влияние фумигации почвы на численность бактерий
в легком суглинке типа Иоло в вегетационных сосудах
емкостью 13,6 л [76]
Вариант обра
Контроль
Смесь Д-Д
То же
Хлорпикрин
То же
Сероуглерод
Окись пропилена
Дибромэтап
То же
боткн*
448 кг/га
4480 »
224 »
2240 »
G720 »
2240 »
224 »
2240 »
Численность бактерий и актиномицетов
(млн.) на
инкуб
1
37 !
22
2
4
2
з
2
36
9
10
29
88
99
96
100
84
80
29
68
1 г сухой почвы после
ации и течение (дни)
:о
23
- 88
95
120
153
91
154
29
60
го
19
48
52
61
78
86
90
21
50
100
22
58
64
60
70
91
98
29
53
2Г0
9
19
61
48
48
72
60
9
23
* Дозы рассчитаны пп слом почвы 0—15 см и на 1 га (2 240 000 кг
почвы).
16 Почвенная микробиология 241
наблюдаться несколько пиков, что позволяет
предполагать сукцессию различных популяций.
Все данные о возрастающей численности бактерий в
почве вслед за биоцидными обработками основаны на
подсчетах бактерий методами, связанными с их
культивированием на питательном субстрате, обычно
чашечным методом (см., например, [27]). Имеется три
сообщения об использовании методов прямого подсчета. Так,
Мейклджон [82] пользовался как чашечным методом,
так и методом прямого подсчета Джонса и Моллисона
[65] для определения численности бактерий плюс акти-
номицетов в почве из местоположений в Кении, где
растительность была уничтожена выжиганием. Оба метода
показали снижение численности непосредственно после
выжигания, когда через 2, 3 и 4 месяца после этого
были взяты пробы почвы с соседних выжигавшихся и
нетронутых местоположений, численность бактерий и акти-
номицетов, определенная чашечным методом, была
большей в почве после выжигания, а прямой метод подсчета
показал меньшую численность организмов после
выжигания. Шилдс, Пол и Лоув [107] определяли численность
бактерий в почве после ее фумигации хлороформом,
используя чашечный и прямой метод Бабиука и Пола [3].
После фумигации почву инокулировали необработанной
почвой и выдерживали в термостате 21 день.
Численность бактерий, определенная чашечным методом,
следовала обычному образцу, т. е. наблюдалось
немедленное снижение, за которым следовало быстрое
увеличение численности. Затем численность за несколько дней
снижалась до уровней, предшествовавших обработке.
Численность бактерий, измеренная прямым методом,
снижалась немедленно после обработки и затем
восстанавливалась до уровня, предшествовавшего фумигации.
Аналогичным образом Дженкинсон, Поулсон и Веддер-
берн [64], пользуясь видоизмененным методом прямого
подсчета Джонса и Моллисона [65], не нашли
доказательств увеличения численности бактерий в почве,
подвергнутой фумигации. Прямые методы подсчета
почвенных организмов обычно дают результаты в 10—100 раз
выше, чем чашечный метод [27, 111], и, следовательно,
чашечный метод выявляет лишь небольшую часть
почвенной популяции микроорганизмов. По-видимому,
увеличение численности бактерий вслед за биоцидной
обработкой происходит за счет этой части и не отражает
242
общей тенденции всей почвеннбй популяции. Организмы,
использующие субстраты, освобождаемые биоцидными
обработками (см. раздел 11.7), вполне могут быть
именно теми, что наиболее быстро размножаются на
питательном агаре. Увеличение численности бактерий,
определяемое чашечным методом, достигает порядка 108
организмов на 1 г почвы (см. табл. 5 и рис. 23). Такое
увеличение, вероятно, останется незамеченным среди
10ХЮ8 до 200Х108 организмов, подсчитываемых в
почве прямыми методами [64, 65, 107, 111].
Грибы быстрее погибают под воздействием тепла или
фумигантов, чем многие бактерии [77]. В исследовании
Ребера (рис. 23) фумигация почвы хлорпикрином
уничтожила грибную популяцию почвы, и ее восстановление
не было заметно после 16 недель инкубации даже при
инокуляции необработанной почвой. Бромистый метил
и метилизотиоцианат оказывали аналогичное действие
и в полевых опытах сильно снижали численность
грибов по крайней мере на три месяца. Неоднократно
отмечалось долговременное снижение численности грибов
после тепловой обработки или фумигации. Уоркап [125]
установил все еще заниженную численность грибов в
почвах через 18 месяцев после ее обработки паром или
формалином. Аналогичные результаты обработки паром
и формалином обнаружил Моллисон [84]; даже через
25 месяцев численность грибов не восстановилась
полностью. Мартин, Бейнс и Эрвин [78] сообщали, что
грибная популяция многих почв была все еще
подавлена через 2 или 3 года после фумигации Д-Д. В
противоположность этому имеются также сообщения об
увеличении численности грибов в почве после фумигации или
тепловой обработки [66, 122]. Мартин [75] установил,
что время восстановления грибной популяции и
достигаемая общая ее численность могут значительно
колебаться между повторностями в полевых и
вегетационных опытах; этим могут объясняться некоторые из
расхождений между результатами разных исследователей.
Так же как и в отношении бактерий, данные
чашечных подсчетов почвенных грибов следует принимать
со значительной осторожностью. Грей и Уиллиамс [51]
утверждают, что большинство подсчетов грибов,
получаемых этим путем, фактически представляют собой
подсчеты грибных спор, а не кусков вегетативных гиф. Многие
споры могут развиваться из сравнительно неболь-
16*
243
ших отрезков гиф, и каждая спора может образовать
колонию на чашке с агаром, в результате чего получают
намного большую численность, чем была бы
установлена при отсутствии споруляции [1]. Ваксман и Старки
[24] учитывали это и указывали, что наблюдавшаяся
ими при подсчете на чашках увеличенная численность
спор после некоторых биоцидных обработок [122]
могла отражать скорее увеличенное число спор в
обработанных почвах, а не усилившийся рост гиф.
Грибная популяция, повторно заселяющая почву,
обработанную фумигантом или нагреванием, обычно
содержит меньше видов, чем их имеется в необработанной
почве [75, 122, 125]. Нередко один вид становится
преобладающим, и иногда этот вид остается
доминирующим на протяжении длительного периода или иногда
ряд различных видов становятся доминирующими в
сукцессии в различное время после обработки [75].
Многие исследователи отмечали доминирование видов Tri-
choderma и Penicillium в почве после ее фумигации или
прогревания, и наиболее часто это была Trichoderma
viride [77, 84, 103, 125]. Саксена изучал [103]
устойчивость различных почвенных грибов к фумигантам и
их способность повторно заселять почву, обработанную
паром или фумигантами, и пришел к выводу, что успех
Т. viride был обусловлен скорее ее относительно
большой скоростью роста, чем ее устойчивостью к биоцид-
ным химикатам, которая была гораздо ниже, чем у
многих других почвенных грибов. Хотя Т. viride чаще всего
оказывается доминирующим видом после биоцидной
обработки, при определенных условиях многие другие
виды также становятся доминирующими [75, 125].
Доминирование того или иного вида после биоцидной
обработки определяется сочетанием многих факторов,
таких, как тип обработки, химические и физические
свойства почвы во время обработки или после нее,
относительное обилие различных видов в первоначальной
почве и была ли почва намеренно или случайно иноку-
лирована после обработки. Ввиду этого неудивительно,
что исход обработки непредсказуем. Это можно
проиллюстрировать на результатах Ивенса [43], изучавшего
вторичное заселение грибами пропаренной почвы в
стеклянной трубке, инокулированной с одного конца
необработанной почвой. Если почва была набита в трубку
рыхло, Г. viride почти всегда была ведущим колониза-
244
тором, но при плотной набивке почву первыми
заселяли виды Pythium, Zygorrhynchus и Мисог. Ивенс
обнаружил также, что последовательность грибного
разрастания в данной почве изменялась от опыта к опыту при
проведении их в разное время и от одной повторности
к другой в рамках одного опыта.
Анализ рисунка 23 и вышеупомянутой работы
показывает, что отзывчивость бактериальной и грибной
популяций на биоцидные обработки весьма различна.
Однако этот вывод может быть искусственным следствием
методов, применяемых для подсчета организмов в
почве. Увеличение численности бактерий вскоре после био-
цидной обработки, выявляемое чашечным методом,
может отражать активность лишь небольшой части
популяции. Кроме того, численность некоторых видов грибов
иногда увеличивается после таких обработок. Таким
образом, как в отношении грибов, так и бактерий,
имеется вероятность увеличения численности одного вида
или немногих видов по сравнению с остальной частью
популяции после первоначального снижения общей
численности.
Влияние фумигантов и тепловой обработки на другие
почвенные организмы не так хорошо документировано,
как влияние на бактерии и грибы. На рисунке 23 можно
видеть, что фумигация сильно снижала численность ак-
тиномицетов, так же как и грибов. Имеются также
сообщения о небольшом количественном снижении актино-
мицетов [10, 25, 66] и об увеличении их численности,
хотя и меньшем, чем у бактерий [117], и о
непостоянных влияниях [122].
Сингх и Крамп [109] нашли, что пропаренная почва
содержала больше простейших, чем необработанная, на
протяжении семи месяцев, тогда как почва,
обработанная формалином, содержала значительно меньше
простейших, чем необработанная, в течение по крайней мере
года. Стаут [116] установил, что хотя образцы
пропаренной почвы, отобранные через 100 дней после
обработки, содержали больше простейших, чем
соответствующая необработанная почва, однако в пропаренной
почве было гораздо меньше видов.
Имеется много сведений о влиянии почвенных
фумигантов на численность нематод, паразитирующих на
растениях. В недавних полевых опытах [130, 131]
фумигация почвы, в которую затем высевали пшеницу, сни-
245
жала повреждение овсяной нематодой, Heterodera
avenae Woll., но приводила к увеличению численности яиц
нематод в почве после уборки урожая. Эта
увеличившаяся популяция неблагоприятно влияла на последующую
культуру. Более здоровые растения на подвергнутых
фумигации делянках имели сильнее развитую корневую
систему, чем растения на необработанных делянках, и
поэтому были лучшими хозяевами для нематод, что и
привело к увеличению численности Я. avenae. Тем не
менее усиление роста растений, обусловленное
дополнительным азотным удобрением, не сопровождалось
таким большим увеличением численности Я. avenae, из
чего следует, что фумигация могла действовать на
популяцию Я. avenae также и через другие факторы.
Эдварде и Лофти [35] установили, что фумигация
Д-Д или вапамом оказывала сильнейшее действие на
почвенную фауну: обычно более 99% исходной
популяции бывало уничтожено и для полного восстановления
популяции требовалось более двух лет. В другом опыте
[36] милон (3,5-диметил-1,3,5-2Я-тетрагидротиадиазин-
тион-2) вызывал 60%-ное снижение численности
почвенных беспозвоночных на следующие пять месяцев. Д-Д,
вапам и бромистый метил убивали почти всех земляных
червей на опытных делянках [38], но неожиданным
образом формалин и тирам (ТМТД) не оказывали
никакого влияния на численность земляных червей [37].
ОБЛУЧЕНИЕ
Чувствительность почвенных организмов к облучению
весьма неодинакова и зависит от их размеров и
сложности организации [79]. Косе [16] указывал, что
немногие беспозвоночные переносят дозу в 0,2 Мрад;
0,2—0,5 Мрад инактивируют большинство грибов, а
доза 1—2 Мрад инактивирует практически все почвенные
бактерии. Попено и Эно [90] приводят данные о
выживании бактерий, грибов, водорослей и нематод после
воздействия дозами гамма-излучения от 0,001 до
2,048 Мрад. Однако Косе [16] указывает, что
колебания в численности организмов в разных почвах и
различная чувствительность к радиации не позволяют
делать обобщений. Робинсон, Корк и Джонс [98]
установили, что почва, «стерилизованная» дозой 5 Мрад, все
еще содержала жизнеспособных бактериофагов.
246
Ферменты относительно устойчивы к облучению, и
имеется множество доказательств активности ферментов
в почве, стерилизованной облучением. Примерами могут
служить активность уреазная [80, 81, 95] и фосфатазная
[80], нитрификация [14, 15, 24], восстановление
нитратов [18, 19] и дыхание [21, 88, 96]. По крайней мере
часть этой активности обусловлена ферментами,
находящимися внутри клеток, утративших способность к
пролиферации в результате повреждения облучением их
системы синтеза белка; вероятно, наиболее уязвимая
часть такой системы — это нуклеиновые кислоты [79].
Мак-Ларен и др. [80, 81] высказывали предположение,
что излучение могло увеличить проницаемость клеточных
оболочек, в результате чего субстраты легче
диффундировали к ферментам. Внеклеточные ферменты также
могли участвовать в ферментативной активности
облученной почвы [79, 80].
Увеличение численности бактерий в период после
облучения, аналогичное происходящему после
фумигации почвы, наблюдалось в почве, стерилизованной
облучением и случайно инокулированной, но число видов
было меньше, чем в контрольной почве [79, 80].
ВОЗДУШНАЯ СУШКА
Высыхание на воздухе — это воздействие, которому
почвы часто подвергаются как в полевых условиях, так
и во время хранения в лаборатории. Результаты такого
воздействия имеют большое значение. Хотя оно гораздо
менее биоцидное, чем фумигация, нагревание или
облучение, высыхание снижает численность бактерий [112,
114, 121], но после увлажнения их численность
(определяемая чашечным методом) возрастает и временно
превосходит численность бактерий в необработанной
почве, так же как это происходит в почве, подвергшейся
фумигации, облучению или нагреванию [114, 121]. Доля
почвенных организмов, убиваемых при воздушной
сушке, зависит от степени высушивания почвы и от условий
сушки.
К сожалению, влияние воздушной сушки на
почвенный метаболизм часто игнорируется; некоторые
исследователи пользовались высушенной на воздухе почвой,
изучая влияние других биоцидных обработок, а другие
подвергали почву воздушной сушке, чтобы удалить фу-
247
мигант. Как следствие, влияние изучаемой обработки
частично маскировалось влиянием воздушной сушки.
Если нельзя избежать использования почвы,
высушенной на воздухе, то результаты будут более реальными,
если почву увлажнить и выдержать в термостате в
течение одной-двух недель, чтобы снизить вспышку
бактериальной активности, прежде чем подвергать почву
другим обработкам.
ЗАМОРАЖИВАНИЕ И ОТТАИВАНИЕ
Промораживание при —22°С в течение 24 ч
приводило к снижению численности жизнеспособных
микроорганизмов в почве, но было менее губительным для них,
чем воздушная сушка [112]. Промораживание при
— 196°С в течение 10 мин снижало численность
жизнеспособных грибов [72]. Гроссбард и Холл [52] нашли,
что численность актиномицетов и до некоторой степени
бактерий имела тенденцию к снижению с увеличением
времени хранения при — 15°С. Недавно Бидербекк и
Кемпбелл [5] продемонстрировали губительное влияние
колебаний температуры, происходящих в полевых
условиях. Численность бактерий (определяемая чашечным
методом) снижалась на 54%, когда свежую почву
последовательно помещали в холодильные камеры при 4,
0 и — 12°С каждый раз на одни сутки, при —23°С на
6 суток и затем снова при —12 и 0°С на одни сутки.
Оттаивание попеременно при 14 и 3°С в течение четырех
дней снизило численность бактерий на 92%, грибов —
на 55% и актиномицетов — на 33% по сравнению с
контрольной почвой. Колебания температуры вызывали
также качественные изменения в почвенной микрофлоре.
МЕХАНИЧЕСКОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ
Можно ожидать, что некоторые более крупные
почвенные организмы будут убиты при таком
механическом перемешивании почвы, как вспашка, обработка
почвофрезой или дискование, но об этом нет
достаточных данных. В полевых опытах Эдвардса и Лофти [35]
распашка старого пастбища снижала численность
членистоногих. Однако это было почти наверно обусловлено
такими факторами, как перераспределение частично
разложившегося органического вещества, так же как и
прямым следствием уничтожения во время вспашки.
248
Имеется мало сведений о прямом влиянии
механического перемешивания на численность почвенных
микроорганизмов — она может пострадать косвенно от
конечных изменений в аэрации и водоудерживающей
способности почвы. Скиннер, Джонс и Моллисон [111]
установили, что численность бактерий при подсчете на
чашках после осторожного растирания почвы с водой была
такой же, как и после встряхивания почвы с водой на
качалке.
11.4. ИЗМЕНЕНИЯ В ДЫХАНИИ ПОЧВЫ
Дыхание — это один из часто используемых
показателей биологической активности в почве, поскольку оно
отражает активность всех групп почвенной популяции.
Поэтому измерения дыхания (поглощения кислорода
или выделения двуокиси углерода) исключительно
ценны для изучения влияния биоцидных обработок на
активность почвенной популяции в целом и на скорость
разложения почвенного органического вещества.
Биоцидные обработки изменяют некоторые
компоненты почвенного органического вещества, делая их более
доступными для разложения (см. раздел 11.7). После
обработки уцелевшие почвенные организмы или
организмы, внесенные с инокулятом, могут использовать
ставшие доступными субстраты, и эта активность
находит отражение в усилении дыхания почвы; на рисунке 24
приведены некоторые примеры этого. Если немногие
организмы выживают после обработки, то периоду
усиления дыхания будет предшествовать период
запаздывания, как после фумигации бромистым метилом
(рис. 24). После стерилизации, когда никто не
выживает, никакого усиления дыхания не происходит, пока
не будет внесен инокулюм. Таким образом, как и при
изучении численности микроорганизмов (раздел 11.3),
важно указывать, была ли обработанная почва иноку-
лирована. Влияние различных биоцидных обработок на
дыхание почвы рассматривается ниже.
ФУМИГАЦИЯ
После фумигации дыхание подавляется на время от
нескольких часов до немногих недель вследствие био-
цидного действия фумиганта. Период подавления зави-
249
О 5 ЮР 5 10
Период иннудации, дни
Рис. 24. Поглощение кислорода пахотной почвой после
различных биоцидных обработок с последующей инокуляцией
свежей почвой или без нее [92]:
Л(+) — автоклавирование с инокуляцией; А (—) — автоклавирова-
нне без инокуляции; Б( + ) — фумигация бромистым метилом с
инокуляцией; Б(—) —- фумигация бромистым метилом без инокуляции;
В( + ) — воздушная сушка с инокуляцией; 0(+) — облучение с
инокуляцией; 0(—) — облучение без инокуляции; Х(+) — фумигация
хлороформом с инокуляцией; Х(-~) — фумигация хлороформом без
инокуляции; К — контроль.
сит от численности организмов, ^выживших после
обработки, и от наличия или отсутствия инокулята. После
первоначального снижения дыхание усиливается до
высоких значений и превосходит дыхание в
необработанной почве [10, 32, 54] (рис. 24). Эти результаты могут
быть иными, если в почве останутся следы фумиганта
или продукты его разложения. Продолжающееся
присутствие в почве биоцидного химиката может подавлять
популяцию, заново заселяющую почву, и увеличить лаг-
период. Некоторые химикаты могут преобразовываться
почвенными организмами и таким образом вызывать
усиление дыхания; оба эти эффекта наблюдались в
почве, обработанной раствором формалина, содержавшим
метиловый спирт в качестве стабилизатора [62].
НАГРЕВАНИЕ И ВЫСУШИВАНИЕ
Сушка в печи и на воздухе с последующим
увлажнением усиливает дыхание во время дальнейшей
инкубации [6, 8, 67, 121 —123]. Почва, которая подвергалась
воздушной сушке в течение суток при 25°С и затем
увлажнялась, не имела никакого периода запаздывания
в поглощении кислорода, и максимальная интенсивность
дыхания наблюдалась в начале инкубации (рис. 24);
это было установлено также Чейзом и Греем [26].
Однако, когда почву высушивали при 80°С, была
отмечена фаза запаздывания [44], поскольку эта обработка
была гораздо более биоцидной. Стивенсон [114]
определял как поглощение кислорода, так и численность
бактерий в почве, высушенной на воздухе, и в
увлажненной и установил максимальную интенсивность дыхания
как раз перед быстрым увеличением численности
бактерий. Автоклавирование стерилизует почву и сильно
снижает дыхание, хотя какой-то обмен кислорода и
двуокиси углерода все же продолжается благодаря скорее
химическим, чем ферментативным процессам [13, 88,
96]. На рисунке 24 показано, что, когда автоклавиро-
ванную почву инокулируют необработанной почвой,
дыхание усиливается еще больше, чем в почве,
подвергнутой фумигации или облучению [60, 89], но этой большой
интенсивности дыхания предшествует заметный
лаг-период [96].
251
ОБЛУЧЕНИЕ
В отсутствие свежего инокулюма в виде
необработанной почвы гамма-излучение может усилить или ослабить
дыхание в зависимости от дозы облучения и свойств
почвы. Роберж [96] наблюдал снижение дыхания в
почве и подстилке в результате обработки дозой гамма-
излучения в 1,1 Мрад, тогда как Косе и Мейблсон [21]
установили, что все дозы от 0,1 до 10 Мрад
усиливали дыхание, причем доза в 2 Мрад вызывала
наибольшее усиление. На рисунке 24 можно видеть, что доза
2,5 Мрад без инокуляции усиливала дыхание. Дыхание
в почве, стерилизованной облучением и не получившей
инокулята, обусловлено активностью устойчивых к
облучению ферментов (см. стр. 247), хотя при больших дозах
ферменты инактивируются и большее значение
приобретает выделение С02, обусловленное радиолитическим
декарбоксилированием почвенного органического
вещества. Косе и Мейблсон [21] измеряли улетучивание С02
из почвы, обработанной гамма-лучами как во время
облучения, так и через 24 ч после него, и пришли к
выводу, что при дозе до 2 Мрад улетучивание С02 было в
основном обусловлено активностью ферментов, но при
дозе 10 Мрад 45% С02 могло образовываться в
результате декарбоксилирования.
На рисунке 24 показано, что при инокуляции
облученной почвы свежей, необработанной почвой следует
период усиленного дыхания, аналогичный такому же
периоду в почве, подвергавшейся фумигации,
нагреванию или высушиванию с последующим увлажнением
[60, 62, 91]. Благодаря активности ферментов в этом
случае не отмечается никакого запаздывания дыхания
в период до возрастания численности микроорганизмов
в отличие от почвы, подвергнутой фумигации, где
активность ферментов сразу же после обработки бывает
подавленной [63, 92].
ЗАМОРАЖИВАНИЕ И ОТТАИВАНИЕ
Промораживание и оттаивание почвы перед ее
инкубацией усиливают дыхание по сравнению с дыханием
почвы, выдерживаемой при постоянной положительной
температуре [57, 72, 99]. Эти влияния меньше и менее
долговременны, чем при более биоцидных обработках.
252
Росс [99] нашел, что интенсивность дыхания почвы
после промораживания (18 ч при — 20°С) снижалась до
дыхания необработанной почвы через 24 ч.
«Необработанная» почва на рисунке 24 хранилась при — 15°С
около года. В первые немногие дни инкубации при 25°С
дыхание усиливалось, а затем, на протяжении 10-дневного
периода, постепенно ослабевало. Дженкинсон и Поулсон
[63] установили прогрессивное изменение в период
холодного хранения. Чем дольше почва хранилась при
— 15СС, тем сильнее было дыхание в первые немногие
дни инкубации при 25°С. Однако все эти влияния
промораживания и оттаивания были слабее влияния
воздушной сушки, и поэтому для большинства
исследований почвенного метаболизма в качестве метода
хранения почвенных образцов замораживание следует
предпочесть воздушной сушке.
МЕХАНИЧЕСКОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ
Ровира и Грицен [101] подвергали влажные почвы
сжатию и резанию, что вызывало кратковременное
усиление дыхания. Они пришли к выводу, что это
происходило в результате перемещения органического
вещества, ранее недоступного для микробного разложения
возможно потому, что оно содержалось в мелких порах.
Грасуэлл и Уоринг [29] доказали, что размалывание
усиливает дыхание изучавшихся ими четырех почв.
Усиление дыхания было довольно кратковременным и
обычно сохранялось менее 5 дней.
11.5. ИЗМЕНЕНИЯ В МИНЕРАЛИЗАЦИИ
ПОЧВЕННОГО АЗОТА
Биоцидные обработки могут изменять содержание
минерального азота в почве как во время обработки, так
и во время последующей инкубации.
ИЗМЕНЕНИЯ ВО ВРЕМЯ ОБРАБОТКИ
Во время обработки почвы может происходить
увеличение содержания аммонийного азота, например, при
автоклавировании [104, 108], нагревании [60], пропари-
вании [31, 41], фумигации [41, 60, 63, 124], воздушной
сушке и облучении [12, 14, 15, 41, 63, 104, ПО]. Эно
253
и Попено [41] установили, что освобождение
аммиачного азота было намного большим во время пропари-
вания, чем во время облучения (3 Мрад) или фумигации
бромистым метилом. Сингх и Канехиро [ПО]
установили, что освобождаемое количество аммонийного азота
возрастало с увеличением дозы гамма-облучения во всем
пределе от 0,5 до 5,0 Мрад. Фумигация и нагревание
также могут вызывать небольшое снижение содержания
нитратов [58, 60, 63], но механизм их действия
неизвестен.
ИЗМЕНЕНИЯ ВО ВРЕМЯ ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ИНКУБАЦИИ
Ускоренное разложение органического вещества,
вызванное биоцидной обработкой (за которой следует
инокуляция необработанной почвой, когда это
необходимо), в результате которого усиливается дыхание почвы,
приводит также к усилению минерализации азота во
время последующей инкубации. Как правило, органическое
вещество, минерализуемое после биоцидной обработки,
имеет меньшее отношение C/N, чем минерализуемое в
необработанной почве, а следовательно, фракция
почвенного органического вещества, превращенная в
разложимую, более богата азотом. Таким образом, усиление
минерализации азота по сравнению с
необработанной почвой еще более заметно, чем усиление
улетучивания СОо. Эта усилившаяся минерализация азота
неоднократно наблюдалась в лабораторных, вегетационных
и полевых опытах [2, 31, 34, 39, 41, 48, 55, 58, 60, 67, 86,
120—124, 131]. Примеры резкого увеличения
содержания минерального азота, вызванного воздушной сушкой
с последующим увлажнением, можно найти у ряда
авторов [6, 9, 47, 86]. Органическое вещество,
минерализуемое после воздушной сушки и увлажнения, имеет более
широкое отношение C/N, чем минерализуемое после
более суровых биоцидных обработок [92]. Боуэн и Косе
[12], Косе [15] и Эно и Попено [41, 42] обнаружили,
что гамма-облучение усиливало минерализацию
почвенного азота во время последующей инкубации.
Промораживание и оттаивание также может усилить
минерализацию азота, но в гораздо меньшей степени, чем другие
биоцидные обработки [46, 72]. Чередование
замораживания и оттаивания больше усиливало минерализацию
азота во время последующей инкубации, чем простое
254
промораживание [46]. Красуэлл Ъ Уоринг [28]
установили, что размалывание почвы до размера частиц
<0,18 мм и <0,05 мм усиливало последующую
минерализацию азота в семи почвах из десяти.
Дополнительный азот, минерализуемый в период
усиления разложения, может ускорить рост растений, когда
этот рост лимитируется недостатком азота. Это было
установлено уже давно [2, 30, 39, 54]. Эник, Корт и ван
Дорн [40] сообщали, что повышенные урожаи злаковых
трав после фумигации были, по крайней мере отчасти,
обусловлены увеличением содержания доступного азота.
Иногда бывает возможно продемонстрировать усиление
роста растений и поглощения азота после биоцидной
обработки, обусловленные полностью или почти полностью
дополнительным минеральным азотом в почве [11].
Однако, как правило, реакция растения на биоцидную
обработку почвы будет суммарным следствием подавления
патогенных организмов и освобождения дополнительного
азота. Если вносят достаточно азотных удобрений, то
влияние азота, освобождаемого биоцидной обработкой,
может не проявиться в усилении роста растений.
Сушка на воздухе и в печи с последующим
увлажнением усиливает минерализацию почвенного азота и
увеличивает урожаи проса и содержание в нем азота
[9]. В тропических районах с ясно выраженными
дождливыми и засушливыми сезонами некоторые культуры
высевают в конце засушливого сезона, чтобы
использовать обилие минерального азота в начале дождливого
периода, как это практикуется в Восточной Африке
[8, 106].
Одним из наиболее известных последствий крайне
биоцидных обработок, таких, как фумигация,
нагревание и облучение большими дозами, является подавление
нитрификации. На это имеются ссылки во всех обзорах,
указанных в начале этого раздела, а также у Гейни
[45], Старка, Смита и Хоуорда [113], Домша [32],
Холла и Клегга [54], Мартина [77] и Уоркапа [126].
Бактерии, окисляющие аммоний до нитрита и нитрит
до нитрата, сравнительно чувствительны к более
суровым биоцидным обработкам. Аммонификация
производится самыми разнообразными организмами, часть
которых неспособна ни выживать при обработке, ни вновь
заселить почву быстрее, чем организмы-нитрификаторы.
Нитрификация может быть прекращена или сильно ос-
255
лаблена на довольно значительные периоды времени.
Мартин [77] показал, что фумигация подавляла
нитрификацию на период от нескольких недель до нескольких
месяцев. Маловани и Ньютон [74] установили, что про-
паривание прекращало нитрификацию по крайней мере
на 40 недель, если почву не инокулировали свежей
почвой, но даже в инокулированных почвах нитрификация
не возобновлялась раньше 6—10 недель. Дейвис и Оуэн
[31] установили, что нитрификация подавлялась на
несколько меньшие периоды в пропаренной почве. Однако
их почвы не были защищены от загрязнения из воздуха в
или же перемешивались при отборе проб. По их дан-"
ным, аммоний не окислялся по меньшей мере в течение
15 недель в автоклавированной почве, если ее
инкубировали без перемешивания. Дженкинсон и Поулсон
[63] установили, что в почве после фумигации
хлороформом и инокуляции ее свежей почвой нитрификация
не возобновлялась по крайней мере в течение 30 дней.
Неизвестно, почему нитрификация не возобновляется
так долго в почвах, подвергавшихся фумигации или
нагреванию даже после инокуляции. Возможно, некоторые
компоненты органического вещества, переводимые в
растворимое состояние этими обработками (см. раздел
11.6), токсичны для нитрифицирующих организмов.
Как результат подавления нитрификаторов азот,
минерализованный в почве, подвергавшейся перед этим
сильной биоцидной обработке, остается в форме
аммония, так же как и любое внесенное аммонийное
удобрение. Такое изменение равновесия между аммонием и
нитратом в почве может оказывать физиологическое
влияние на некоторые растения [77]. Нитраты могут
теряться из зоны роста корней растений в результате
выщелачивания, но аммоний не вымывается. Таким
образом, в почве, подвергавшейся фумигации, нагреванию
или облучению, не только минерализуется больше азота,
чем в необработанной почве, но и значительная-часть
этого азота оказывается в форме, менее подверженной
потерям, и, таким образом, можно ожидать большего
использования азота растениями. Эти влияния
продемонстрированы в полевых опытах Дрейкоттом и
Ластом [34].
Воздушная сушка с последующим увлажнением не
подавляет нитрификацию [8, 47], и поэтому азот,
минерализованный после этого, окисляется до нитрата,
256
так же как и в необработанной рочве. Однако Косе и
Шелдон [22] установили, что в органических
карбонатных почвах одновременно с усиленным 'образованием
нитратов после воздушной сушки и нового увлажнения
одновременно может происходить восстановление
нитрата, даже если содержание воды в почве намного ниже
полной влагоемкости. После увлажнения в течение 1 —
2 дней накапливаются нитриты, но их содержание
быстро снижается при дальнейшей инкубации; образуется
также некоторое количество закиси азота. Авторы
пришли к выводу, что окисление органического вещества,
происходящее во время воздушной сушки (см. раздел
11.6), создает недостаток кислорода в почве, и поэтому
в некоторых очагах может происходить восстановление
нитрата, несмотря на то, что почва в целом аэробна.
Всякое уменьшение пористости почвы, вызванное
воздушной сушкой и последующим увлажнением,
увеличивает число таких очагов.
Мак-Ларен [79] составил обзор данных о влиянии
облучения на нитрификацию; это влияние изменялось
в зависимости от дозы облучения и от почвы. Косе [14]
обнаружил, что низкие дозы (от 0,002 до 0,2Мрад)
увеличивали количество нитрата, образующегося fe почве
в течение семидневной инкубации. В восьми почвах из
десяти, облучавшихся дозами от 0,25 до 2,5 Мрад,
накопление нитрата было большим, чем в контроле,
причем при дозах от 0,25 до 0,75 Мрад оно было
наибольшим [23]. Это усиление образования нитрата, вероятно,
было обусловлено скорее активностью ферментов
нитрифицирующих бактерий, рост которых был прекращен,
чем размножением выживших бактерий [14, 15]. Джен-
кинсон и Поулсон [63] установили, что в почве,
облученной дозой 1 Мрад, образовывалось больше нитратов
в течение последующих 10 дней инкубации, чем в
необработанной почве, но при облучении дозой 2,5 Мрад
нитратов образовывалось почти столько же, сколько и в
контроле. Однако даже при дозе 1 Мрад происходило
накопление аммония, и, следовательно, нитрификация в
облученной почве осуществлялась популяцией,
неспособной размножаться.
Сообщалось и о накоплении нитрита в облученных
почвах, особенно при дозах 0,5—0,8 Мрад [20,23]. В
почвах, содержавших больше 1% карбонатного углерода
и с рН больше 7,0, это накопление может быть большим
|7 Почвенная микробиология
257
(более 100 мг/кг в одной из почв) и может
продолжаться в течение ряда дней. В других почвах такое на-*
копление было меньшим, продолжалось лишь несколько
часов, и в одной кислой почве (рН 4,0) нитрита вообще
не было обнаружено. Этот нитрит образовывался в
результате восстановления нитрата, вероятно, ферментной
системой не размножающихся денитрифицирующих
бактерий [18, 19].
11.6. ИЗМЕНЕНИЯ В СОДЕРЖАНИИ
ВОДОРАСТВОРИМОГО ОРГАНИЧЕСКОГО
ВЕЩЕСТВА
Биоцидные обработки увеличивают количество
водорастворимого органического вещества [2, 53, 67, 79, 121,
125]. Как правило, нагревание освобождает больше
органического вещества, чем облучение или фумигация,
которые, в свою очередь, освобождают больше, чем
воздушная сушка или промораживание. Количество
органического вещества, переводимого в растворимое
состояние облучением, увеличивается при увеличении дозы
[12, 14]. Бирч [6, 7] установил, что органическое
вещество, становящееся водорастворимым под влиянием
воздушной сушки или сушки в печи, очень легко
разлагалось, и считал, что разложение этого материала
было отчасти причиной усиления дыхания после
воздушной сушки и увлажнения. Этот вывод поддерживается
Ягновым [59], измерявшим усиление дыхания,
вызванное воздушной сушкой и увлажнением 50 почв из
Восточной Африки; имелась положительная корреляция
между дыханием и количеством органического вещества,
экстрагируемого из почвы горячей водой в начале
инкубации.
Поулсон и Дженкинсон [92] нашли, что количество
органического вещества, переводимое в растворимое
состояние воздушной сушкой, фумигацией (СНСЬ или
СН3Вг), гамма-облучением (2,5 Мрад) или автоклавиро-
ванием, четко коррелировало как с дыханием, так и с
минерализацией азота во время последующей
инкубации. Однако дополнительное органическое вещество,
разложившееся вслед за обработкой и инкубацией,
появилось не только из этой водорастворимой фракции;
какая-то часть нерастворимого органического вещества
258
разложилась и какая-то часть ставшего растворимым
органического вещества была устойчивой против
разложения. Количества устойчивого органического
вещества, переводимые в растворимое состояние различными
обработками, возрастали в следующем порядке:
фумигация (СНС13 или СН3Вг)-юблучение (2,5 Мрад)-^авто-
клавирование. Изменения в содержании растворимых
аминокислот и Сахаров в почвах, во время хранения
в замороженном состоянии, отмечались Полом и Ту [86]
и Иварсоном и Соуденом [57].
Сразу после пропаривания или автоклавирования
почва токсична для роста растений [97], и
пропаренную почву обычно заливают водой или оставляют на
некоторое время перед выращиванием в ней растений
[102]. Ровира и Боуэн [100], используя автоклавиро-
ванную почву, доказали, что токсичность может быть
устранена некоторыми грибами и бактериями,
обнаруженными в такой почве после ее инокуляции или же
путем промывания почвы водой. Они пришли к выводу,
что токсичность обусловлена водорастворимым
органическим веществом, образующимся во время нагревания.
Петерсон [89] обнаружил значительное запаздывание
в росте и поглощении кислорода у почвенных
организмов, внесенных в автбклавированную почву;
запаздывание было более длительным, если почву автоклавирова-
ли в течение 2 ч вместо 1 ч. Салониус, Робинсон и Чейз
[104] измеряли дыхание почвенных организмов,
внесенных в искусственную почву (смесь тонкого песка и
каолинита), к которой они добавляли водную вытяжку из
почв, высушенных на воздухе, облученных дозой 3 Мрад
или автоклавированных. Разложение вытяжек из
высушенной на воздухе или облученной почвы начиналось
немедленно, но вытяжек из автоклавированной почвы
только с опозданием в 1—2 дня.
11.7. ОБЪЯСНЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ
В ПОЧВЕННОМ МЕТАБОЛИЗМЕ, ВЫЗВАННЫХ
БИОЦИДНЫМИ ОБРАБОТКАМИ
В течение короткого периода вслед за биоцидной
обработкой (и инокуляцией почвенными организмами там,
где это необходимо) почвенное органическое вещество
разлагается быстрее, чем в необработанной почве. Это
17*
259
ускоренное разложение связано с растущей
численностью некоторых почвенных организмов, особенно
бактерий, и ведет к увеличению поглощения кислорода и
минерализации углерода, азота и других элементов.
Такое дополнительное разложение в обработанной
почве обозначалось как вспышка разложения [60],
определяемая размерами разложения в обработанной почве
(измеряемыми по поглощению кислорода, выделению
С02 или минерализации азота) за вычетом разложения
в необработанной почве, инкубированной на такое же
время и при тех же условиях.
Дженкинсон [60] обобщил теории, выдвинутые для
объяснения этого явления, и разделил их на три группы.
Группа L Деятельность микроорганизмов
подавляется в нестерилизованной почве
Биоцидные обработки могут расстроить процесс
подавления, после чего может происходить вспышка
разложения, заканчивающаяся с восстановлением
процесса подавления. Примерами таких теорий могут быть
следующие.
1. Биоцидные обработки разрушают токсин,
ограничивающий развитие микроорганизмов. Популяция, рост
которой задерживался, усиленно размножается, пока
новое накопление токсина не ограничит вновь ее рост.
2. Биоцидные обработки усиливают
«физиологическую энергию» выживающих организмов. Эта теория не
может объяснить возникновения вспышки в простери-
лизованной почве, куда организмы вводят с иноку-
люмом.
3. Экологические теории. Разложение задерживается
антагонизмом между различными частями популяции,
причем одна часть сдерживает другую; после биоцид-
ной обработки ранее сдерживаемая часть популяции
свободно растет в течение некоторого времени, вызывая
вспышку разложения. Одна часть популяции может
сдерживать другую либо непосредственно за счет
отношений в системе хозяин-хищник, либо косвенно,
например образуя антибиотик.
Дженкинсон приводит общее возражение против всех
этих теорий. Если деятельность микроорганизмов
подавлена, то какой-то обычно доступный субстрат должен
быть защищен от разложения. Подобный субстрат
вряд ли долго сохранится в такой конкурентной среде,
260
как почва, хотя он может сохраниться короткое время
после добавления более разложимого субстрата, такого,
как свежий растительный материал. Будет развиваться
популяция, иммунная к ингибирующему процессу и
способная разлагать защищенный субстрат.
Группа II. Обычно доступные субстраты физически
защищены от микроорганизмов в нестерильной почве
Биоцидные обработки устраняют эту защиту,
позволяя организмам использовать свежеэкспонированный
субстрат, пока он не истощится. Например:
1. Липидные растворители, такие, как хлороформ,
удаляют восковую пленку, покрывающую обычно
доступный субстрат. Эга теория не дает объяснения
влиянию облучения.
2. Высушивание приводив к разрушению
органических коллоидов, экспонируя большую поверхность для
воздействия микроорганизмов.
3. Доступный субстрат покрыт слоем организмов,
образующим препятствие для всех других только до тех
пор, пока эти организмы живы.
Группа IIL Биоцидные обработки вызывают образование
доступных субстратов из обычно недоступных
субстратов
Эти субстраты, быстро подвергающиеся атаке
микробов, могли освобождаться в результате гибели и лизиса
организмов или повышения разложимости неживых
частей почвенного органического вещества.
Для проверки этих теорий и выяснения источника
субстрата, разлагаемого во время вспышки, Дженкин-
сон [60] пользовался почвой, которую выдерживали
в поле в течение года с меченным по углероду
растительным материалом. Почвенная популяция,
разлагающая растительный материал, и образующиеся
метаболиты должны были стать сильно мечеными, а часть
почвенного органического вещества, более старая и
биологически менее активная,— слегка меченой. Пробы этой
почвы подвергались воздушной сушке, облучению
(0,25 Мрад), фумигации бромистым-метилом и
хлороформом, сушке в печи (при 80 и 100°С) и автоклавиро-
ванию (при 120°С). Главные выводы сводились к
следующему.
261
1. Различные обработки, единственным общим
следствием которых было уничтожение организмов,
приводили к улетучиванию сравнимых количеств С02,
содержащей примерно одинаковый процент 14С02 из
неравномерно меченой почвы. С02, улетучивавшаяся после
обработки отдельной почвы, содержала примерно в
10 раз больше 14С, чем почвенное органическое вещество
в целом. Таким образом, или организмы сами были
сильно мечеными и разлагались во время вспышки,
или же почва содержала сильно меченый потенциальный
субстрат, который освобождался в одинаковых
количествах при фумигации, облучении (0,25 Мрад) или сушке
в печи при 80°С.
2. Количество меченой С02, минерализованной в
меченой, подвергнутой фумигации почве, не снижалось при
смешивании с контрольной почвой. Это сильный
аргумент против теорий группы I, приписывающих вспышку
разложения разрушению механизма биологической
защиты. Если бы такая теория была верна, то фактор
защиты, присутствующий в почве, не подвергавшейся
фумигации, снизил бы размеры разложения,
происходящего в почве после фумигации.
3. Организмы, внесенные в почву, быстрее
разрушаются после фумигации.
4. Одновременно с минерализацией сильно меченой
фракции происходит «фоновое» образование слегка
меченой С02.
5. В дополнение к их влиянию на сильно меченую
фракцию облучение и обработки, связанные с
нагреванием, превращают определенные, слегка меченые
фракции почвенного органического вещества в разложимые.
Исходя из этих результатов Дженкинсон высказал
следующее предположение:
а) обработки, вызывающие частичную или полную
стерилизацию, увеличивают скорость минерализации
углерода биомассы, убивая или повреждая организмы.
Мертвые и поврежденные организмы минерализуются
быстрее, чем неповрежденные;
б) за некоторыми исключениями (см. пункт в)
обработки, вызывающие частичную стерилизацию, не
увеличивают скорости потребления углерода иного, чем
углерод биомассы;
в) определенные обработки (облучение и
нагревание) делают часть почвенного органического вещества
262
разложимым иными процессами, чем уничтожение
организмов. Как углерод биомассы, так и другие источники
углерода могут быть изменены этим путем.
Эти гипотезы согласуются с низким отношением C/N
у органического вещества, разлагающегося после био-
цидной обработки (см. стр. 254),— организмы имеют
меньшее отношение C/N, чем почвенное органическое
вещество.
Уже давно признано, что распад убитых
организмов способствует вспышке разложения органического
вещества [115]. Однако упор часто делался на другие
факторы, особенно на то, что ослабленная конкуренция
микроорганизмов в обработанной почве способствует
лучшему росту выживших или вновь заселяющих почву
организмов [76, 77, 121]. Приведенный выше результат
[2] показывает, что ослабленная конкуренция мало
влияет на общее количество органического вещества,
разлагаемого в обработанной почве. Уменьшенная
конкуренция может быть фактором, определяющим
относительную численность различных групп организмов
во вновь заселяющей популяции, но не общие размеры
происходящего разложения. .
Шилдс и др. [107] считали, что фумигация
хлороформом не только убивает организмы, но и делает
неразложимыми значительные количества микробных
метаболитов. Дженкинсон [60] установил, что фумигация,
облучение (0,25 Мрад) и сушка в печи при 80°С приводили
к выделению примерно одинаковых количеств ИС02
во время последующей инкубации. Трудно вообразить
механизм, с помощью которого все столь
разнообразные обработки увеличивали бы разложимость
микробных метаболитов или какого-либо другого
органического вещества, но относящегося к биомассе, примерно в
такой же степени. Если метаболитная теория верна, то
фумигация почвы, в которой все организмы уже убиты
облучением, должна вызывать более сильную вспышку
разложения, чем одно только облучение. Дженкинсон
и Поулсон [63] проверили это предположение и
установили, что облучение с последующей фумигацией
хлороформом действительно вызывало слегка большую
вспышку, чем только облучение, но это было обусловлено
иными факторами, поэтому авторы пришли к выводу, что
полученные ими результаты не подтверждают метабо-
литную теорию.
263
Джслкинсон [60] установил, что меченая почва
выделяла больше меченой и немеченой СОг после тепловой
обработки, чем после фумигации, хотя процент 14С в
двуокиси углерода был несколько меньшим. По мере
усиления тепловой обработки, а именно сушки в печи при 80°,
сушки при 100°С и автоклавирования при 120°С
улетучивалось несколько больше 14С02 во время
последующей инкубации, но выделение немеченой С02
усиливалось заметно. Это позволяет думать, что тепло, помимо
уничтожения организмов, превращало некоторую
другую, менее сильно меченую часть почвенного
органического вещества в разложимую. Кроме того, вторая сушкр
в печи, проводимая сразу же после первой,
значительно увеличивала количество немеченой СОг,
выделявшейся во время последующей инкубации, но мало
увеличивала выделение 14С02. В противоположность
этому вторая фумигация хлороформом не увеличивала
выделение меченой или немеченой С02. Таким образом,
тепловые обработки превращали все большие
количества неживого органического вещества в разложимые
по мере усиления обработки.
В ряде почв облучение дозой 2,5 Мрад постоянно
вызывало более сильную вспышку разложения, чем
фумигация хлороформом или бромистым метилом, и
дыхание дольше оставалось более интенсивным, чем дыхание
необработанной почвы (рис. 24). Дженкинсон [60]
установил, что облучение (2 Мрад) оказывало некоторое
влияние на неживое органическое вещество; меченая
почва, облученная дважды, выделяла достоверно больше
немеченой С02 во время последующей инкубации, чем
после однократного облучения, и выделяла слегка
больше 14С02. Дозы, полученной при первом облучении
(2 Мрад), было достаточно для стерилизации почвы, и
поэтому дополнительная С02 не могла выделяться в
результате более полного уничтожения организмов.
По-видимому, облучение повышало разложимость
органического вещества в результате образования в почвенном
растворе перекисных радикалов, реагирующих затем с
органическим веществом [15, 17]. Это может быть и
органическое вещество биомассы и неживое.
Поулсон и Дженкинсон [92] обнаружили, что
влияние воздушной сушки заметно отличалось от влияния
фумигации, облучения и автоклавирования. Хотя
воздушная сушка и увлажнение усиливали минерализацию
264
азота в ряде почв, но не в такой степени, как другие
обработки. Кроме того, отношение C/N в органическом
веществе, разлагавшемся во время вспышки, было
большим, чем после других обработок, из чего следует, что
меньшее количество этого органического вещества
происходило из богатых азотом органических фракций, чем
при других обработках. Дженкинсон [60] установил
также, что СОг, выделявшаяся из меченой почвы после
воздушной сушки и увлажнения, была менее сильно
меченой, чем выделявшаяся после фумигации, облучения
или нагревания. Бирч [8] обнаружил, что вспышка
разложения, вызываемая последовательными циклами
воздушной сушки — увлажнения — инкубации постепенно
ослабевала, но что это ослабление происходило гораздо
медленнее, чем после циклов фумигации хлороформом —
инокуляции — инкубации [60, 92]. Все эти результаты
указывают на то, что воздушная сушка увеличивает
разложимость более широкого ряда фракций почвенного
органического вещества, чем фумигация. Вспышка
разложения, следующая за воздушной сушкой и
увлажнением, по-видимому, обусловлена как разложением
убитых организмов, так и в значительной степени
разложением неживого органического вещества. Механизм
этого неясен: высказывалось предположение о разрушении
органических коллоидов с экспонированием большей
площади поверхности для растворения или воздействия
микроорганизмов [7].
Механические обработки, подобные растиранию,
могут вызвать вспышку разложения как в результате
увеличения доступности физически защищенного
органического вещества воздействию микроорганизмов [28, 29,
101], так и в результате уничтожения организмов.
Замораживание и оттаивание, вероятно, убивает
организмы, но может оказывать также и косвенное влияние,
изменяя почвенную структуру.
11.8, ОЦЕНКА ПОЧВЕННОЙ БИОМАССЫ
ПО РАЗМЕРАМ ВСПЫШКИ РАЗЛОЖЕНИЯ
ПОСЛЕ ФУМИГАЦИИ
Если вспышка разложения, следующая за
фумигацией, обусловлена разложением убитых организмов, а
не мертвого органического вещества, то размеры вспыш-
>
265
кй должны коррелировать с размерами почвенной
биомассы. Дженкинсон [60] вывел приблизителоную
зависимость B = Fjky где В — углерод почвенной биомассы
(мг С/100 г почвы), F — вспышка разложения, т. е.
углерод С02, выделяемой из почвы после фумигации,
минус углерод С02, выделяемой из необработанной почвы,
инкубируемой при тех же условиях (мг углерода С02
на 100 г почвы) и k — фракция углерода биомассы,
минерализованная до С02 во время инкубации, следующей
за фумигацией и инокуляцией свежей почвой.
Значение k, вероятно, будет зависеть от таких свойств
микроорганизмов, как вид организма, фаза роста и
обеспечение пищей, и от таких почвенных факторов, как аэрация
и рН. Как бы то ни было, для k было условно
предложено значение 0,5 [61] для всех частей почвенной
биомассы, т. е. для десятидневной инкубации при
25°C£=F/0,3.
Метод измерения почвенной биомассы с
использованием фумигации гораздо менее трудоемок, чем
прямой подсчет под микроскопом [3, 64]. Предлагались
также химические методы, как, например, определение АТФ
[33, 70, 71, 73] или мурамовой кислоты [83]. При этих
методах предполагается, что процентное содержание
АТФ или мурамовой кислоты в почвенных организмах
такое же, как и в чистых культурах, применяемых для
калибровки методов, и поэтому точность результатов
неопределенна. Таким образом, несмотря на неуверенность
в отношении значения^, метод фумигации в настоящее
время наиболее удовлетворителен для измерения
почвенной биомассы, а для сравнительных измерений
точное значение k не играет роли.
Биомасса восьми почти нейтральных почв,
измеренная методом фумигации (принимая £ = 0,5), колебалась
от 20 мг С/100 г (в расчете на абсолютно сухой вес)
в старопахотной почве до 330 мг С на 100 г почвы,
очень богатой органическим веществом, под постоянным
злаковым травостоем [64]. Процентное содержание
почвенного органического углерода в биомассе колебалось
от 1,2 до 3,4% и было больше в лесных или пастбищных
почвах, чем в пахотных. Эти значения для почвенной
биомассы и аналогичные значения, полученные при
подсчете под микроскопом, больше оценок Сатчелла [105]
и Бабуика и Пола [3]. В двух кислых почвах (рН 3,9
и 4,6) вспышки разложения после фумигации были
266
очень слабыми, что предположительно указывает на
малые размеры биомассы [92].
С помощью метода фумигации было
продемонстрировано, что биомасса почвы более чувствительна к
изменениям в системах земледелия, чем органическое
вещество почвы в целом. Например, содержание органического
углерода в пахотной почве из Нигерии, ранее
находившейся под тропическим лесом, за два года
снизилось на 16%. За тот же период биомасса этой почвы
уменьшилась на 48% [92]. Дженкинсон и Поулсон [62]
доказали также, что почвенной биомассе требуется
несколько лет для восстановления после фумигации в
полевых условиях. Они пришли к выводу, что часть
биомассы с длительным полупериодом жизни, вероятно,
состоящая из спор и других покоящихся организмов,
устраняется при фумигации и требуется несколько лет
для ее восстановления до прежнего уровня.
Л ИТЕРАТУРА
1. Alexander М. Introduction to Soil Microbiology, 64—65.
Wiley, New York (1961).
2. Anonymous. Partial sterilization, Soils and Fertilizers, 11,
357—360 (1948).
3. В a b i u k L. A., Paul E. A. The use of fluorescein isothiocy-
anate in the determination of the bacterial biomass of grassland
soil, Canadian J. Microbiology, 16, 57—62 (1970).'
4. В e n z i a n B. Experiments on nutrition problems in forest
nurseries, Bulletin of the Forestry Commission, London, No. 37,
Volume I. HMSO, London (1965).
5. B-ie derbeck V. О., С a m p b e 11 С A. Influence of
simulated fall and spring conditions on the soil system, Proc. SSSA,
35, 474—479 (1971).
6. В i г с h H. F. The effect of soil drying on humus decomposition
and nitrogen availability, Plant and Soil, 10, 9—31 (1958).
7. Birch H. F. Further observations on humus decomposition
and nitrification, Plant and Soil, 11, 262—286 (1959).
8. В i г с h H. F. Nitrification in soils after different periods of
dryness, Plant and Soil, 12, 81—96 (1960).
9. В i г с h H. F., E m e с h e b e A. M. The effect of soil drying
on millet, Plant and Soil, 24, 333—335 (1966).
10. Bo 11 en W. B. Interactions between pesticides and soil
microorganisms, Annual Review of Microbiology, 15, 69—92 (1961).
11. Bo wen H. J. M., С a w s e P. A. Effects of ionizing radiation
on soils and subsequent crop growth, Soil Science, 97, 252—259
(1964).
12. Bowen H. J. Ми, С a w s e P. A. Some effects of gamma
radiation on the composition of the soil solution and soil organic
matter, Soil Science, 98, 358—361 (1964).
267
13. В u n t J. S., Rovira A. D. The effect of temperature and
heat treatment on soil metabolism, /. Soil Science, 6, 129—136
(1955).
14. Cawse P. A. Effect of low sub-sterilizing doses of radiation
on carbon, nitrogen and phosphorus in fresh soils, /. Science of
Food and Agriculture, 18, 388—391 (1967).
15. Cawse P. A. Effects of gamma radiation on accumulation
of mineral nitrogen in fresh soils, /. Science of Food and
Agriculture, 19, 395—398 (1968).
16. Cawse P. A. The use of gamma radiation in soil research,
United Kingdom Atomic Enegry Authority, Research Group
Report 6061. HMSO London (1969).
17. Cawse P. A. The formation and decomposition of nitrite in
gamma-irradiated soil, PhD thesis, University of London (1970).
18. Cawse P. A., Cornfield A. H. The reduction of 15N
labelled nitrate to nitrite by fresh soils following treatment with
gamma radiation, Soil Biology and Biochemistry, 1, 267—274
(1969).
19. Cawse P. А., С о r n f i el d A. H. Facrors affecting the
formation of nitrite in gamma-irradiated soils and its relationship
with denitrifying potential, Soil Biology and Biochemistry, 3,
111—120 (1971).
20. С a w s e P. А., С r a w f о r d D. V. Accumulation of nitrite in
fresh soils after gamma irradiation, Nature, 216, 1142—1143
(1967).
21. Cawse P. A., Mableson К. М. The effect of
gamma-radiation on the release of carbon dioxide from fresh soil,
Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2, 421—431
(1971).
22. С a w s e P. A., Sheldon D. Rapid reduction of nitrate in
soil re-moistened after air-drying, /. Agricultural Science
(Cambridge), 78, 405-412 (1972).
23. С a w s e P. A., W h i t e T. Accumulation of nitrate in fresh
soils after gamma irradiation, /. Agricultural Science
(Cambridge), 72, 331—333 (1969).
24. С a w s e P. A., W h i t e T. Rapid changes in nitrite after
gamma irradiation of fresh soils, /. Agricultural Science
(Cambridge), 73, 113—118 (1969).
25. С h a n d г а Р., В о 11 e n W. B. Effects of nabam and mylone
on nitrification, soil respiration, and microbial numbers in four
Oregon soils, Soil Science, 92, 387—393 (1961).
26. С h a s e F. E., Gray P. H. H. Application of the Warburg res-
pirometer in studying respiratory activity in soil, Canadian
J. Microbiology, 3, 335—349 (1957).
27. С1 a r к F. E. Agar-plate method for total microbial count, in
Methods of Soil Analysis4 Part 2 (ed. by C. A. Black), 1460—
1466: American Society of Agronomy, Madison (1965).
28. С r a s w e 11 E. Т., W a r i n g S. A. Effect of grinding on the
decomposition of soil organic matter. I. The mineralization of
organic nitrogen in relation to soil type, Soil Biology and
Biochemistry, 4, 427—433 (1972).
29. С r a s w e 11 E. Т., W a r i n g S. A. Effect of grinding on the
decomposition of soil organic matter. II. Oxygen uptake and
nitrogen mineralization in virgin and cultivated cracking clay
soils, Soil Biology and Biochemistry, 4, 435—442 (1972).
268
30. D a r b i sh ire F. V., Russell E. J. Oxidation in soils and
its relation to productiveness. Part II. The influence of partial
sterilization, /. Agricultural Science (Cambridge), 2, 305—326
(1907).
31. Da vies J. N., Owen O. Soil sterilization I. Ammonia and
nitrate production in some glasshouse soils following steam
sterilization. /. Science of Food and Agriculture, 2, 268—279
(1951).
32. D о m s с h К. Н. Soil Fungicides, Annual Review of
Phytopathology, 2, 293—320 (1964).
33. D о x t a d e r K. G. Estimation of microbial biomass in soil on
the basis of adenosine triphosphate measurements. Bacteriological
Proceedings, Abstracts of 69th Annual Meeting, 14 (1969).
34. Dray cot t A. P., Last P. J. Some effects of partial
sterilization on mineral nitrogen in a light soil, /. Soil Science, 22,
152—1*57 (1971).
35. E d w a r d s С A., Lofty J. R. The influence of agricultural
practice on soil microarthropod populations, in The Soil
Ecosystem (ed. by J. G. Sheals), 237—246. The Systematics
Association, London, Publication No. 8 (1969).
36. E d w a r d s C. A«, L о f t у J. R. Nematocides and the soil fauna,
Proceedings of the 6th British Insecticides and Fungicides
Conference, Volume 1, 158—166 (1971).
37. E d w a r d s C. A., Lofty J. R. Pesticides and earthworms,
Report of Rothamsted Experimental Station for 1972, Part \,
211—212 (1973).
38. E d w a r d s С A., L о f t у J. R., W h i t i n g A. F., J e f f s K. A.
Pesticides and earthworms, Report of Rothamsted
Experimental Station for 1970, Part 1, 193—194 (1971).
39. E i s s a M. F. M. The effect of partial soil sterilization on plant
parasitic nematodes and plant growth, Mededelingen van de
Landbouwhogeschool (Wageningen), 71—74 (1971).
40. Ennick.G. C, Kort J., Van Doom A. M. Effect of seed
and soil disinfectants on establishment, growth and mutual
relations of white clover and grass in leys, Agricultural Research
Report 741. Centre for Agricultural Publishing and
Documentation, Wageningen (1970).
41. Eno С F., Popenoe H. The effect of gamma radiation on
the availability of nitrogen and phosphorus in soil, Proc. SSSA.
27, 299—301 (1963).
42. E n о С F., Popenoe H. Gamma radiation compared with
steam and methyl bromide as a soil sterilizing agent, Proc.
SSSA, 28, 533—535 (1964).
43. E v a n s E. Survival and recolonization by fungi in soil
treated with formalin or carbon disulphide, Transactions of the
British Mycological Society, 3&, 335—346 (1955).
44. Funke B. R., Harris J. O. Early respiratory responses of
soil^ treated by heat or drying, Plant and Soil, 28, 38—48
(1968).
45. G a i n e у Р. L. Effects of CS2 and toluol upon nitrification,
Zentralblatt fur Bakteriologie, Parasitenkunde und Infektions-
krankheiten. lite Abteilung, 39, 584—595 (1914).
46. G a s s e r J. K. R. Use of deep freezing in the preservation and
preparation of frech soil samples, Nature, 181, 1334—1335
(1958).
269
47. G a s s e r J. К. R. Effects of air-drying and air-dry storage on
the mineralisable nitrogen of soils, /. Science of Food and
Agriculture, 12, 778—784 (1961).
48. G a s s e r J. K. R* P e а с h e у J. E. A note on the effects of
some soil sterilants on the mineralisation and nitrification of
soil nitrogen, /. Science of Food and Agriculture, 15, 142—146
(1964). I
49. G о r i n g C. A. I. Theory and principles of soil fumigation,
Advances in Pest Control Research, 5, 47—84 (1962).
50. G о r i n g C. A. I. Physical aspects of soil fumigation in relation
to the action of soil fungicides, Annual Review of
Phytopathology, 5, 285—318 (1967).
'51. Gray T. R. G., Williams S. T. Microbial productivity in
soil, in Microbes and Biological Productivity: 21st Symposium
of the Society for General Microbiology, 255—286 (1971).
52. G г о s s b a r d E., H a 11 D. M. An investigation into the
possible changres in the microbial population of soil stored at — 15°C,
Plant and Soil, 21, 317—332 (1964).
53. G u s t a f s с n A. F. The effect of drying soils on the water-
soluble constituents, Soil Science, 13, 173—213 (1922).
54. H a 11 N. M., С 1 e g g L. F. L. Microbiological aspects of the
partial sterilization of soil by chemicals, Proceedings of the
Society of applied Bacteriology, No. 2, 105—118 (1949).
55. H a r m s e n G. W., Van Schreven D. A. Mineralization of
organic nitrogen in soil, Advances in Agronomy, 7, 299—398
1955).
56. Ho est r a H. Replant diseases of, apple in the Netherlands,
Mededelingen van de Landbouwhogeschool (Wageningen),
68—13 (1968).
57. I v a r s о n K. C, Sowden F. J. Effect of frost action -and
storage of soil at freezing temperatures on the free amino acids»,
free sugars and respiratory activity of soil, Canadian J. Soil
Science, 50, 191—198 (1970).
58. J a g e r G., Van De Boon J., R a u w G. J. G. The influence
of soil steaming on some properties of the soil and on the growth
and heading of winter glasshouse lettuce. I. Changes in
chemical and physical properties, Netherlands J. Agricultural Science,
17, 143—152 (1969).
59. Jagnow G. Soil respiration, nitrogen mineralization and
humus decomposition of East African soils after drying and
remoistening, Zeitschrift fur Pflanzenernahrung und Bodenkunde,
131, 56^-66 (1972).
60. J e n к i n s о n D. S. Studies on the decomposition of plant
material in soil. II. Partial sterilization of soil and the soil biomass,
/. Soil Science, 17, 280—302 (1966).
61. Jenkinson D. S. The effects of biocidal treatments on
metabolism in soil. IY. The decomposition of fumigated organisms
in soil, Soil Biology and Biochemistry (in press).
62. J e n к i n s о n D. S., Powlson D. S. Residual effects of soil
fumigation on soil respiration and mineralization, Soil Biology
and Biochemistry, 2, 99—108 (1970).
63. J e n к e n s о n D. S., Powlson D. S. The effects of biocidal
treatments on metabolism in soil. I. Fumigation with chloroform,
Soil Biology and Biochemistry (in press).
64. J e n к i n s о n Dw S., Powlson D. S., W e d d e r-
270
burn R. W. M. The effects of biocidal treatments on
metabolism in soil. III. The relationship between soil biovolume,
measured by optical microscopy, and the flush of decomposition
caused by fumigation, Soil Biology and Biochemistry (in press).
65. Jones P. С. Т., М о 11 i s о n J. E. A technique for the
quantitative estimation of soil micro-organisms, /. General
Microbiology, \ 54-69 (1948).
66. Katznelson H., R i с h a r d s о n L. T. The microflora of the
rhizosphere of tomato plants in relation to soil sterilization,
Canadian J. Research, C21, 249—255 (1943).
67. К о p e 1 о f f N., С о 1 e m a n D. A. A review of investigations in
soil protozoa and soil sterilization. Soil Science, 3, 197—269
(1917).
68. К r e u t z e r W. A. Soil fungicides, Recent Advances in Botany,
I, 466—472 (1961).
69. К r e u t z e r W. A. The reinfestation of treated soil, in Ecology
of Soil-borne Plant Pathogenes (ed. by K. F. Baker, W. C.
Snyder), 495—503. University of California Press, Berkeley (1965).
70. L e e С. С, Harris R. F., Williams J. D. H., A r m-
strong D. E., S у e r s J. K. Adenosine triphosphate in lake
sediments. I. 'Determination, Proc. SSSA, 35, 82—<86 (1971).
71. Lee С. С, Harris R.F., Williams J. D. H., Syers J. K-,
Armstrong D. E. Adenosine triphosphate in lake sediments,
II. Origin and significance, Proc. SSSA, 35, 86—91 (1971).
72. Mack A. R. Biological activity and mineralization of nitrogen
in three soils as induced by freezing and drying, Canadian
/. Soil Science, 43v 316—324 (1963).
73. M а с 1 e о d N. H., С h a p p e 11 e E. W., Crawford A. M.
ATP assay of terrestrial soils: a test of an exobiological
experiment, Nature, 223, 267—268 (1969).
74. Ma low any S. N., Newton J. D. Studies on steam
sterilization of soils. I. Some effects on physical, chemical and
biological properties, Canadian J. Research, C25, 189—208
(1947).
75. M a r t i n J. P. Effects of fumigation and other soil treatments
in the greenhouse on the fungus population of old citrus soil,
Soil Science, 69, 107—122 (1950).
76. M a 11 i n J. P. Influence of pesticide residues on soil
microbiological and chemical properties, Residue Reviews, 4, 96—129
(1963).
77. M a r t i n J. P. Influence of pesticides on soil microbes and soil
properties, in Pesticides and their Effects on Soils and Waters,
95—108. American Society of Agronomy Special Publication
No. 8, Soil Science Society of America, Madison (1966).
78. M a r t i n J. P., В a i n e s R. С, Е r v i n J. O. Influence of soil
fumigation for citrus replants on the fungus population of the
soil, Proc. SSSA, 21, 163—166 (1957).-
79. McLaren A. D. Radiation as a technique in soil biology and
biochemistry, Soil Bioiogy and Biochemistry, 1, 63—73 (1969).
80. M с L a r e n A. D., L u s e R. A., S к u j i n s J. J. Sterilization
of soil by irradiation and some further observations on soil *
enzyme activity, Proc. SSSA, 26, 371—377 (1962).
81. McLaren A. D., Reshetko L., Huber W. Sterilization of
. soil by irradiation with an electron beam, and some observations
on soil enzyme activity, Soil Science, 83, 497—502 (1957).
271.
82. M e i к 1 e j o h n J. The effect of bush burning on the microflora
of a Kenya upland soil, Л Soil Science, 69 111—118 (1955).
83. Millar W. N., С a s i d a L. E. Evidence for muramic acid in
soil, Canadian J. Microbiology, 16, 299—304 (1970).
84. M о 11 i s о n J. E. Effect of partial sterilization and acidification
of soil on the fungal population, Transactions of the British
Mycological Society, 36, 225—228 (1953).
85. N e w h a 11 A. G. Disinfestation of soil by heat, flooding and
fumigation, Botanical Reviews, 21, 189—250 (1955).
86. P a u 1 E. A., T u С. М., Alteration of microbial activities,
mineral nitrogen and free amino acid constituents of soils by
physical treatment, Plant and Soil, 22, 207—219 (1965).
87. P e а с h e у J. E. Chemical control of plant parasitic nematodes
in the United Kingdom, Chemistry and Industry, 1736—1740
(1963).
88. Peterson G. H. Respiration of soil sterilised by ionizin'g
radiations, Soil Science, 94, 71—74 (1962).
89. P e t e r s о n G. H. Microbial activity in heat- and
electron-sterilized soil seeded with microorganisms, Canadian I.
Microbiology, 8, 519-524 (1962).
90. Pоpenhо e E, Eno С F. The effect of gamma radiation on
the microbial population of the soil, Proc. SSSA, 26, 164—167
(1962).
91. Powlson D. С The effects of furnigants on soil respiration
and mineralization of nitrogen, PhD thesis, University of
Reading (1972).
92. Powlson D. S., Jenkinson D. S. The effect of biocidal
treatments on metabolism in soil. II. Gamma irradiation, auto-
claving, air-drying and fumigation with chloroform or methyl
bromide, Soil Biology and Biochemistry (in press).
93. R e b e r H. Untersuchungen uber die Wiederbesiedlung eines
chemisch entseuchten Bodens, Zeitschrift fur Pflanzenkrankhei-
ten, Pflanzenpathologie und Pflanzenschutz, 74, 427—438
(1967).
94. Richardson L. T. The persistence of thiram in soil and its
relationship to the microbiological balance and damping-off
control, Candian J. Botany, 32, 335—346 (1954).
95. Roberge M. R. Behaviour of urease added to unsterilized,
and gamma radiation-sterilized black spruce humus, Canadian
Л Microbiology, 16, 865—870 (1970):
96. Roberge M. R. Respiration of a black spruce humus sterilized
by heat or irradiation, Soil Science, ill, 124—128 (1971).
97. R о b i n s о n R. R. Inhibitory plant growth factors in partially
sterilized soils,, /. American Society of Agronomy, 36, 726—739
(1944).
98. Robinson J. В., Согке С. Т., Jones D. A. Survival of
bacteriophage in soil sterilized with gamma irradiation, Proc.
SSSA, 34, 703—704 (1970).
99. R о s s D. J. Effects of freezing and thawing of some grassland
topsoils on oxygen uptakes and dehydrogenase activities, Soil
Biology and Biochemistry, 4, 115—117 (1972).
100. Rovira A. D., Bow en G. D. The effects of microorganisms
upon plant growth. II. Detoxication of heat-sterilized soils by
fungi and bacteria, Plant and Soil, 25, 129—142 (1966).
101. Rovira A. D., Greacen E. L. The effect-of aggregate dis-
272
ruption on the activity of microorganisms in the soil, Australian
J. Agricultural Research, 8, 659—673 (1957).
102. Russel E. W. Soil Conditions and Plant Growth, 9th edition
220—223. Longmans, London (1961).
103. Saksena S. B. Effect of carbon disulphide-fumigation on
Trichoderma viride and other soil fungi, Transactions of the
British Mycological Society, 43, 111—116 (1960).
104. Salon ius P. O., Ro bi n so n J. В., Chase F. E. A
comparison of autoclaved and gamma-irradiated soils as media for
microbial colonization experiments, Plant and Soil, 27, 239—248
(1967).
105. Satchel I J. Feasibility study of an enegry budget for Meat-
hop Wood, in Productivity of Forest Ecosystems (ed. by P. Du-
. vigneaud), 619—630. UNESCO, Paris (1971).
106. Semb G., Robinson J. B. D. The natural nitrogen flush in
different arable soils and climates in East Africa, East African
Agricultural and Forestry /., 34, 350—370 (1969).
107. Shields J. A., Paul E. A., L о w e W. E. Factors influencing
the stability of labelled microbial materials in soils, Soil Biology
and Biochemistry, 6, 31—37 (1974).
108. Simpson F. J., Newton J. D. Studies on steam sterilization
of soils. II. Some factors affecting minimum sterilization
requirements, Canadian J. Research, C27, 1—13 (1949).
109. Singh B. N., Crump L. M. The effect of partial sterilization
by steam and formalin on the numbers of amoebae in field soil,
/. General Microbiology, 8, 421—426 (1953.
110. Singh B. R.„ Kanehiro Y. Effects of gamma irradiation
on the available nitrogen status of soils, /. Science of Food and
Agriculture, 21, 61—64 (1970).
111. Skinner F. A., Jones P. С. Т., Mollison J. E. A
comparison of a direct and a prate-counting technique for the
quantitative estimation of soil microorganisms, /. General
Microbiology, 6, 261—271 (1952).
112. S о u 1 i d e s D. A., A11 i s о n F. E. Effect of drying and
freezing soils on carbon dioxide production, available mineral
nutrients, aggregation, and bacterial population, Soil Science, 91,
291—298 (1961).
113. Stark F. L., Smith J. В., Howard F. L. Effect of chlo-
ropicrin fumigation on nitrification and ammonification in soil,
Soil Science, 48, 433—442 (1939).
114. Stevenson I. L. Some observations on the microbial
activity in remoistened air-dried soils, Plant and Soil, 8, 170—182
(1956).
115. Stormer K. Dber die Wirkung des Schwefelkohlenstoffs und
ahnlicher Stoffe auf den Boden, Zentralblatt fur Bakteriologie,
Parasitenkunde und Infektionskrankheiten lite Abteilung, 20,
282—286 (1908).
116. Stout J. D. The effect of partial sterilization on the protozoan
fauna of a greenhouse soil, /. General Microbiology, 12, 237—240
(1955).
117. Tarn R. K., Clark H. E. Effect of chloropicrin and other
soil disinfectants on the nitrogen nutrition of the pineapple
plant, Soil Science, 56, 245—261 (1943).
118. Taylor A. L. Chemical treatment of the soil for nematode
control, Advances in Agronomy, 3, 243—264 (1951).
18 Почвенная микробиология
273
lid. Tietz H. One centennium of soil fumigation: its first years,
in Root Diseases and Soil-borne Pathogens, 203—207. University
of California Press, Berkeley (1970).
120. Til let E. R. The effects of different fumigants on the
mineralization of soil nitrogen, Rhodesian J. Agricultural Research, 2,
13-16 (1964).
121. Waksman S. A. Principles of Soil Microbiology, 2nd edition,
716—740. Bailliere, Tindall and Cox, London (1931).
122. Waksman S. A., Starkey R. L. Partial sterilization of soil,
microbiological activities and soil fertility: I, Soil Science, 16,
137—157 (1923).
123. Waksman S. A*, S t a r key R. L. Partial sterilization of soil,
microbiological activities and soil fertility: II, Soil Science, 16,
247—268 (1923).
124. Waksman S. A., Starkey R. L. Partial sterilization of
soil, microbiological activities and soil fertility: III, Soil Science,
16, 343—357 (1923).
125. War cup J. H. Effect of partial sterilization by steam or
formalin on the fungus flora of an old nursery soil, Transaction of
the British Mgeological Society, 34, 519—532 (1951).
126. War cup J. H. Chemical and biological aspects of soil
sterilization, Soils and Fertilizers, 20, 1—5, (1957).
127. Whitehead A. G„ Dunning R. A., Cooke D. A. Docking
disorder and root ectoparasitic nematodes of sugar beet, Report
of Rothamsted Experimental Station for 1970, Part 2, 219—236
(1971).
128. Whitehead A. G., Tite XX J., Fraser J. E. The effect
of small doses of nematicides on migratory root-parasitic
nematodes and on the growth of sugar beet and barley in sandy
soils, Annals of Applied Biology, 65, 361—375 (1970).
129. Wilhelm S. Chemical treatments and inoculum potential of
soil, Annual Review of Phytopathology, 4, 53—78 (1966).
130. Williams T. D. The effects of formalin, nabam, irrigation
and nitrogen on Heterodera avenae Woll.,, Ophiobolus graminis
Sacc. and the growth of spring wheat, Annals of Applied
Biology, 64, 325—334 (1969).
131. Williams T. D., S a 11 G. A. The effects of soil sterilants on
the cereal cyst-nematode (Heterodera avenae Woll.), take all
(Ophiobolus graminis Sacc.) and yields of spring wheat and
barley, Annals of Applied Biology, 66, 329—338 (1970).
132. Wilson J. D. Soil fumigation, American Potato J., 45,
414—426 (1968).
1Z
НЕСИМБИОТИЧЕСКАЯ ФИКСАЦИЯ АЗОТА
В ПОЧВЕ
П. Дж. ДАРТ, Дж. М. ДЭЙ (P. J. DART, J. M. DAY)
12.1. ВВЕДЕНИЕ
Источники азота для растений занимали умы многих
людей на протяжении последних 150 лет. Лооз, Гилберт
и Пуг [55], работавшие на Ротамстедской опытной
станции, понимали, что почва содержит больше азота, чем
его было в материале материнских пород, и что имелся
большой неустановленный источник азота для
некоторых, но не для всех растений. С полей под фасолью или
клеверами удалялось больше азота, чем с урожаями
пшеницы, и, однако, в ротации эти первые культуры
усиливали рост и повышали урожаи следовавшей за
ними пшеницы и содержание азота в почве. Использование
внесенных азотных удобрений бобовыми было также
намного меньшим. Определения показали, что эти
культуры извлекали мало дополнительного азота из подпочвы
или получали с осадками. Для доказательства, что
растения, растущие в стерильных условиях, не способны
ассимилировать газообразный азот и вводить его в
состав органического вещества, использовались остроумно
сконструированные стеклянные камеры для
выращивания растений.
Тщательность, с которой Лооз и Гилберт устраняли
все загрязняющие организмы, кроме самих растений,
из своих экспериментальных систем, помешала им
установить роль микроорганизмов в фиксации азота. В 1837 г.
Буссенго доказал, что бобовые, выращиваемые в
открытых сосудах, получают азот из воздуха, и существенные
количества азота накапливались за 16 лет в почве
полей, где в ротации имелись бобовые, но такие
революционные результаты не были признаны Либихом,
виднейшим агрохимиком того времени, оспаривавшим
концепцию фиксации азота растениями. В 1882 г. Жодэн
сообщил о потере азота из атмосферы герметизированных
18*
275
сосудов, в которых выращивали культуры „vegetaux my-
codermiques" и „les mucedinees", обеспеченные
источником углерода, но без источника связанного азота, и
пришел к выводу, что его культуры, предположительно
смесь грибов и бактерий, фиксировали азот [92].
Вертело [9] в 1885 г. сообщил о накоплении азота
порядка 20—30 кг/га за три летних месяца в закрытых
и открытых сосудах без растений, содержавших две
песчаные почвы и две каолиновые смеси. Поскольку в
стерилизованных им закрытых бутылях такого накопления
не было, он сделал вывод, что азот фиксировался
живыми микроорганизмами в почве. Этот вывод был
подтвержден, когда Виноградский, пользуясь
избирательной средой с низким содержанием азота, выделил
первую чистую культуру азотфиксирующей бактерии,
анаэробной Clostridium pasteurianum. Франк в 1889 г.
доказал, что сине-зеленые водоросли медленно фиксируют
азот, а Шлезинг и Лорент в 1892 г. установили
значительное накопление азота в поверхностном слое почвы,
покрытой водорослями, хотя трудность получения чистых
культур позволила усомниться в этих результатах.
Участие микроорганизмов в образовании клубеньков
и в фиксации азота бобовыми было установлено в тот же
период Гельригелем и Вильфартом (1886, 1888 гг.) и
Бейеринком, выделившим причинный организм Rhizobi-
ит из ряда бобовых в 1888 г. Лооз и Гилберт [54], в
течение нескольких следующих лет, продемонстрировали
способность растений клеверов, гороха, фасоли, вики,
люпина и люцерны, имеющих клубеньки, фиксировать
азот. Бейеринк (1901), знаменитый голландский ученыр,
доказал, что аэробные бактерии Azotobacter chroococcum
из почвы и A. agilis из воды канала также могли расти
и фиксировать азот в среде-, лишенной азота.
С того времени сообщалось о способности
фиксировать азот ряда других родов бактерий и сине-зеленых
водорослей [18, 33, 83]. В первой половине этого столетия
большинство исследователей обращали главное
внимание на азотобактер, описывая широкое распространение
и численность этих организмов в почве или воде наряду
с их физиологией и требованиями к пище. На Ротам-
стедской опытной станции Эшби в 1907 г. находил
A. chroococcum и клостридий в почве старой залежи в
Бродбоке, но не в почве опыта с монокультурой
пшеницы. Последующие подсчеты численности бактерий в поч-
276
ве пахотного поля показали низкую численность
азотобактера (максимум 9400 на 1 г почвы) и возможно
более высокую численность клостридий [59], но эти два
организма были слишком немногочисленны, чтобы
значительно увеличить содержание азота в почве.
12.2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Утверждения о фиксации азота микроорганизмами
основывались (а) на росте микроорганизмов в среде, не
содержащей азота, (б) на накоплении азота в такой
среде или в среде, содержащей связанный азот, обычно
в форме вытяжек из растений, (в) на обогащении азота
в культуре стойким изотопом 15N при воздействии газа,
обогащенного 15N2, и (г) на восстановлении ацетилена
до этилена ферментом нитрогеназой.
Рост на предположительно свободном от азота
субстрате ограниченно убедителен. Некоторые организмы
могут расти на таких субстратах, если они могут
наскрести следы связанного азота из субстрата или
воздуха; это приводило ко многим ошибочным
утверждениям о фиксации азота [18]. Метод ^определения азота
по Кьельдалю сравнительно мало чувствителен, и
утверждения о фиксации, основанные на увеличении его
содержания меньше чем на 5%, сомнительны (см. [93],
где имеется критическое обсуждение).
Разработка методов анализа с использованием 15N
повысила чувствительность количественных
определений фиксации азота почти в 1000 раз. Точность масс-
спектрометрического анализа отношения ,5N: 14N
превосходит даже и эту, однако главное преимущество
методов с 15N заключается в том, что обнаружение
фиксации не зависит от первоначального присутствия азота.
Определение абсолютных количеств фиксированного
азота воздуха в какой-либо системе все еще зависит от
анализа методом Кьельдаля или путем сжигания по
методу Дюма. Масс-спектрометрический анализ требует
большого умения в установлении в вакууме содержания
изотопов и предотвращения загрязнения
углеводородами.
В более позднее время для анализа отношения
J5N: 14N стали пользоваться оптической эмиссионной
спектроскопией, используя сравнительно большие
изотопные сдвиги, обнаруженные в молекулярном спектре
277
газообразного азота. При этом методе можно измерять
меньшие пробы, чем масс-спектрометром (примерно
до 1 мкг общего азота), но с меньшей точностью при
обогащении меньше примерно 0,5% сверх нормального
содержания [68]. Это ограничивает пригодность метода
для полевых и вегетационных опытов, где стоимость
химикатов, обогащенных 15N, обычно вынуждает
пользоваться низкими первоначальными концентрациями J5N.
Воодушевляющей перспективой для полевых опытов
является возможность получения по низкой цене
килограммовых количеств азотных соединений, менее
богатых i5N, чем обычно. Поступление этого источника азота
в почвы, воду и растения может затем быть определено
по убыли 15N в пробах с помощью масс-спектрометров.
Уровень несимбиотической фиксации азота в почвах
было трудно определить. Накопление азота менее
100 кг/га в год за короткий период (один сезон или
меньше) в полевых условиях очень трудно измерить
точно. Лооз и Гилберт [54] сознавали это, отметив в
1889 г., что для получения достоверных результатов
важно, чтобы пробы почвы отбирались совершенно одина-'
ковым образом с достаточным числом повторностей и
определялось содержание почвенного азота во всем
профиле для гарантии, что определяется накопление
фиксированного азота, а не просто перераспределение азота
между почвенными горизонтами. Они предлагали
вгонять в почву на известную глубину стальную рамку
со сторонами 15X15 см и высотой 23 см для получения
средних образцов из этого объема почвы после ее
тщательного перемешивания. Для определения накопления
азота в почвах делянок классических опытов Ротамстед-
ской станции все еще используется такая же рамка.
Ошибочные результаты получали при анализе сухих
почвенных образцов перед количественными
определениями и влажных образцов после инкубации, при
неполном озолении по Кьельдалю и при автоклавировании
контрольных образцов с происходящим при этом
улетучиванием азота (см. [48] для критического разбора
определений накопления азота, опубликованных до
1940 г.).
Вследствие трудности экспозиции больших площадей
воздействию атмосферы, обогащенной 15N2, было
проведено очень немного измерений фиксации азота
изотопным методом в полевых условиях. Относительно низкая
278
активность систему почва — растение требует мйого
времени для проведения опыта, и это увеличивает
трудность поддержания естественных условий в отношении
таких факторов, как температура, относительная
влажность и содержание С02 в атмосфере.
В 1966 г. было обнаружено, что фиксация N2
бесклеточными препаратами Clostridium pasteurianum
подавлялась ацетиленом [76] и что ацетилен
восстанавливался ферментом до этилена [23]. Скорость восстановления
ацетилена и азота сопоставима, если исходить из числа
переносимых электронов:
6э
Nh=N->2NH3
2э
НС s СН—>-г12С = Сг12.
Оба субстрата, по-видимому, восстанавливаются в
одном и том же активном участке фермента, и их
требования в восстановителе (ферредоксин in vivo)'и в АТФ
одинаковы. Вследствие высокого сродства нитрогеназы
с ацетиленом скорость восстановления не зависит от
присутствия азота в обычной для воздуха концентрации
при условии наличия насыщающего уровня ацетилена.
Эта реакция является основой метода с восстановлением
ацетилена, применяемого в настоящее время для
измерения активности азотфиксирующих систем, поскольку
отношение восстановленного ацетилена к
фиксированному азоту очень близко к теоретическому значению 3 : 1
[37]. Отклонения от этого отношения обычно
обусловлены несоответствующим контролем.
В ходе испытания азотфиксирующая система
подвергается воздействию ацетилена (обычно 10—20% объема
воздуха) в газонепроницаемых контейнерах, после чего
через определенные промежутки времени берут пробы
воздуха. Технический ацетилен всегда содержит
некоторое количество этилена, и на это необходимо делать
поправку при испытаниях. Концентрации этилена и
ацетилена в пробах газа можно быстро измерить методом
газовой хроматографии, пользуясь
пламенно-ионизационным детектором: Этот метод испытания систем
примерно в 1000 раз более чувствителен, чем изотопный
метод для измерения фиксации азота. Требующееся
оборудование, кроме газового хроматографа, стоит
недорого— пластмассовые шприцы для работы с газом, испы-
279
тательные камеры, которыми могут служить
пластмассовые мешки, стеклянные бутыли с резиновой прокладкой
в крышках или сосуды с почвой и растениями,
надземная часть которых заключена в жесткую прозрачную
пластмассовую камеру [19]. Пробы газа могут
храниться в газоплотных шприцах, или их можно собирать в
пробирки или флаконы, из которых выкачан воздух.
Пользуясь методом восстановления ацетилена для
количественного определения фиксации азота,
необходимо учитывать некоторые предупреждения:
1) аммоний, образующийся в клетке
микроорганизма, обычно быстро преобразуется в амиды и
аминокислоты, но этилен далее не восстанавливается и не
преобразуется. Ассимиляция аммония требует подходящих
углеродных скелетов, часть которых может служить
также и для образования восстановителя и АТФ. Во время
восстановления ацетилена требуется лишь эта последняя
часть. Когда обеспечение углеродом ограниченно,
ассимиляция аммония конкурирует с восстановлением азота
за углеводы, врзможно, снижая скорость
восстановления. За более длительный промежуток времени
увеличение аммонийного фонда в условиях недостатка
углерода может подавлять синтез нитрогеназы [18]. С
другой стороны, длительное воздействие ацетилена может
снижать уровень аммония с последующим подавлением
синтеза нитрогеназы, и образующийся таким образом
дополнительный фермент приведет к ошибочно
завышенной оценке активности фермента в его «естественном»
состоянии;
2) этилен —это мощный растительный гормон;
3) растворимость ацетилена и азота в воде
неодинакова, и они с неодинаковой скоростью адсорбируются
почвой, и это может привести к разной доступности
субстрата [67, 70]. Практически эти факторы не
влияли на большинство испытанных систем;
4) этилен может образовываться в почвах,
особенно в почвах с высоким содержанием органического
вещества, без дополнительно внесенного ацетилена [81].
Маловероятно, что это внесет ошибки в результаты
испытания систем, фиксирующих больше 5 кг/га азота в
год, но контрольные образцы, не получавшие ацетилена,
необходимо всегда проверять на образование этилена;
5) в культурах Beijerinckia indica активность
нитрогеназы возрастает с увеличением парциального давле-
280
ния ацетилена примерно до 0,75 атм [82]. Большинство
других анализированных азотфиксирующих систем
имело /Сщ для С2Н2 меньше 0,01 атм [37].
Когда мы несколько лет назад разработали
методику испытаний для полевых образцов почвы, выяснилось,
что чем больше перемешивалась почва, тем ниже была
активность и тем больше расхождение результатов. Со
временем мы обнаружили, что взятые буром монолиты
почвы диаметром 11 и высотой 16 см, сохраняемые
после отбора образцов в поле в металлических цилиндрах,
обеспечивали воспроизводимые образцы для небольших
растений. Монолит помещают в стеклянную бутыль,
закрываемую пробкой с резиновой прокладкой, и
добавляют ацетилен так, чтобы его содержание достигало
примерно 15% по объему, и оставляют на ночь. Затем
давление в бутыли снижают через игольчатый клапан и
берут первую пробу газа. Через несколько часов берут
вторую пробу для определения скорости образования
этилена. Для получения более крупных проб
испытание можно проводить в пластмассовых контейнерах: это,
кстати, позволяет сохранить полностью или частично
надземную часть растений.
Если состояние системы почва — растение нарушено,
возникает различный по длительности период
отставания с низкой активностью, прежде чем активность ни-
трогеназьг восстановится до уровня, сравнимого с
уровнем в ненарушенной почве. Это отставание может
продолжаться до 20 ч для корней растений вне зависимости
от наличия ацетилена или давления кислорода при
инкубации [28, 29, 39, 72]. Для корней и корневищ,
извлеченных из почвы, активность нитрогеназы зависит от
парциального давления кислорода, причем наибольшая
активность (ближайшая к ненарушенной системе)
обычно наблюдается при Ро2 0,04 атм или меньше для
растений как тропических, так и умеренных зон [26, 28,
29, 39]. Для отрезков корней более воспроизводимые
результаты получают, если они увлажнены после
извлечения из почвы и предварительно выдерживаются
16 ч в смеси с 4% аргона или азота перед добавлением
ацетилена.
Для песчаных почв применялась система испытания
in situ. Металлический бур диаметром 30 см
заглублялся в почву на 5—7 см, и надземная часть растения,
заключенная в пластмассовый мешок или жесткий пласт-
281
массовый колпак, соединялась с металлическим буром
водяным затвором. Ацетилен освобождался внутри
камеры путем капельного увлажнения карбида кальция
[3]. Такая методика была неудовлетворительна для
тяжелых глинистых почв Ротамстедской станции
вследствие очень медленного проникновения ацетилена в
почву, глубже верхних 12 см [21].
Система испытания in situ была видоизменена нами
для изучения фиксации азота сине-зелеными
водорослями на поверхности почвы. Металлическую трубу
диаметром 15 см заглубляли в почву примерно на 5 см
(причем 2—3 см ее оставались над поверхностью
почвы) за некоторое время до начала испытания, и при
необходимости контакт между почвой и трубой
улучшали добавлением воды к границе раздела. Поверхность
почвы герметизировали прозрачной пластинкой перспек-
са, закрепляемой безусадочным материалом. Ацетилен
вводили из баллона, создавая примерно 20%-ную
концентрацию (по объему) в атмосфере над поверхностью
почвы. Диффузия ацетилена в глинистую почву
Ротамстедской станции была быстрой в течение первых 20 мин,
затем продолжалась медленнее и наконец почти
линейно в течение ряда часов. Пробы газа брали через
30 мин и через час после введения ацетилена для
измерения образования этилена. Учитывалась потеря
этилена из почвы [34, 94].
Для таких тропических растений как сорго, просо и
Pennisetum purpureum, корневая система которых, как
известно, стимулирует несимбиотическую фиксацию
азота, методику исследований еще предстоит разработать.
12.3. АКТИВНОСТЬ НИТРОГЕНАЗЫ
В УМЕРЕННОЙ ЗОНЕ
ПОЛЕ БРОДБОКА
Бродбокский опыт на Ротамстедской станции дал
наиболее убедительное доказательство несимбиотиче-
ской фиксации азота в почвах умеренной зоны. В 1843 г.
Лооз в Бродбоке заложил опыт с монокультурой пще-
ницы на глинистой почве с галькой. Перед этим поле
было произвестковано, и в последующем рН почвы
оставался примерно около 7,0. Поле было разбито на группы
делянок, ежегодно получавших одно и то же удобрение.*
282
Использовался ряд сочетаний удобрений, включая
вариант без удобрений (делянка 3), варианты с
внесением фосфора, калия, натрия, магния, но без азота
(делянка 5) и другие варианты с возрастающими дозами
азота. В 1966 г. содержание азота в верхних 23 см
почвы на делянке 10, которая к тому времени получила
12 000 кг/га азота в форме сульфата аммония,
составляло 0,106%, немного больше, чем на делянке 3.
Содержание азота в зерне, удалявшемся с делянок, и в почве
контролировалось с самого начала опыта. После учета
сухого поглощения аммония почвой (по расчетам,
достигавшего 13 кг/га в год) и поступления азота с
осадками (по определениям, 5,4 кг/га в год) баланс азота
для делянок, не получавших никаких азотных
удобрений, показал устойчивый уровень накопления азота
около 30 кг/га в год.
Бобовые и другие сорные растения, главным образом
клевер скрученный и вика, были слишком
малочисленны, чтобы объяснить значительную часть этой
фиксации. Буквально никакой активности нитрогеназы не
было обнаружено в почве делянок под паром-и ниже
верхнего слоя на делянках с пшеницей. Анализ монолитов,
взятых вместе с растениями пшеницы, показал, что
масштабы фиксации, связанной с корнями, были
незначительными и могли объяснить накопление всего 2—3 кг
азота на 1 га в год. Сине-зеленые водоросли на
поверхности почвы, часто образующие сплошную корку, как
это отмечалось Б. Рочем в 1927 г., могли производить
большую часть фиксации. До середины мая активность
нитрогеназы была незначительной, и она колебалась из
года в год в зависимости от осадков и испарения.
Поэтому активность в секциях, не обработанных
гербицидами, часто выше, чем в обработанных. В 1972 г. на
делянке 6, получавшей 48 кг азота на 1 га в год, была
определена наибольшая фиксация азота (28 кг/га в
год). На делянках 3 и 5 с меньшим растительным
покровом, вследствие чего поверхность почвы высыхала
быстрее, размер фиксации азота был определен от 8 до
23 кг/га в год. Иногда активность нитрогеназы
достигала 1—2 кг/га азота в день, особенно после сильных
дождей в конце лета. Активность нитрогеназы
продолжалась и ночью с 20.00 до 6.00 ч, достигая в это время
15% от общей суточной активности Фиксация
осуществлялась главным образом видами Nostoc ellipsosporum
283
й Nostoc punctiforme при участии также видов Cylindro-
spermum. Инокуляция почвы этими водорослями в мае
слегка повышала активность, главным образом
благодаря более раннему развитию водорослей на
поверхности почвы [34, 94]. ,
В 1882 г. часть поля Бродбок была закрыта и
оставлена без обработки, и в результате часть этой залежи
превратилась в смешанный лес со скудной наземной
растительностью, представленной в настоящее время
преимущественно плющом (Hedera helix), с группами
пролески (Mercurialis perennis) и отдельными
растениями борщевика(Heracleum spondylium). На другой
части залежи ежегодно удаляли древесную растительность,
и в настоящее время она представлена грубыми
злаками и смешанной двудольной растительностью (примерно
40 видов). В обеих частях залежи постоянно
накапливались большие количества азота, и чистое накопление
с 1882 г. в верхних 20 см почвы составило более
2000 кг/га. Это означает минимальное ежегодное
накопление за счет несимбиотической фиксации, равное 49
и 39 кг/га соответственно для лесистой и лишенной
деревьев частей залежи, поскольку примерно с 1915 г.
бобовых практически не было, как и других растений,
образующих клубеньки [46]. На этой старой залежи
большая часть активности нитрогеназы оказалась тесно
связанной с корнями ряда двудольных сорняков из
многих родов (см. табл. 6). Не связанная с ризосферой
фиксация почвой, связанная с листьями, корой и
подстилкой оценивались максимально в 4—5 кг азота на 1 га
в год [39].
Таблица 6. Растения на старой залежи поля Бродбок,
связанные с наибольшей активностью нитрогеназы
Чистец (Stachys sylvaiica) Вьюнок (Convolvulus arvensis)
Пролеска (Mercurialis perennis) Щавель (Rumex acetosa)
Борщевик (Heracleum spondylium) Фиалка (Viola canina)
Купырь (Anthriscus sylvestris) Будра (Nepeta glechoma)
Плющ (Hedera helix)
He было большой разницы в активности нитрогеназы
в буровых монолитах почвы диаметром 11 см,
содержащих растения Heracleum spondylium, Nepeta glechoma
или Stachys sylvatica, и активность отмечалась до
глубины 75 см со скоростью фиксации азота, достигавшей
284
иногда 440 г/га в день. Активность достоверно
коррелировала с содержанием воды в почве. Влажные почвы,
вероятно, имеют более, благоприятное (т. е. более
низкое) парциальное давление кислорода для фиксации,
связанной с корнями растений. В безлесной части
залежи накопление азота с годами можно было объяснить
активностью, связанной с корнями растений. На
облесенной части залежи почва была совершенно сухой на
протяжении большей части периода отбора образцов в
1973 г., и активность, связанная с наземным
растительным покровом, была слишком низкой, чтобы объяснить
накопление азота. Возможно большая активность
наблюдается в начале весны или в конце осени, когда
влияние деревьев на содержание воды в почве наименьшее
или же некоторая активность может быть связана с
корнями деревьев [21].
Почва залежи Гизкрофт, расположенной поблизости,
где всякая обработка была прекращена в 1883 г., имела
рН от ,4,2 до 4,8, и анализы показали, что несимбиоти-
ческая фиксация азота достигала примерно 9 кг/га в
год [46]. Активность нитрогеназы, когда почва была
достаточно влажной под преобладающим наземным
покровом плюща Hedera helix, была сходна с активностью в
лесной части залежи в Бродбоке, из чего можно
заключить, что рН не самый главный фактор,
лимитирующий несимбиотическую фиксацию азота [21].
ДРУГИЕ ОБЛЕСЕННЫЕ РАЙОНЫ
Накопление азота в количествах около 50 кг/га в год
отмечалось в других районах Англии для 1Г чистых
насаждений лесных пород, не образующих клубеньков, за
период в 20 лет [64] и для .видов сосны в Австралии
[71]. В почве леса сосны ладанной (Pinus taeda) в
штате Южная Каролина США, где наземная растительность
ежегодно выжигалась, за период в 10 лет ежегодно
накапливалось по 23 кг/га азота в год [50]. Была
установлена слабая активность нитрогеназы, связанная с
отмытыми корнями ряда хвойных пород [71, 80] и с корнями
и листьями псевдотсуги тисолистной (Pseudotsuga taxi-
folia) [49].
Активность нитрогеназы была обнаружена также в
живых деревьях ели обыкновенной, связанная с
поражением грибной болезнью [77] и в гниющей древесине
285
[16, 78]. В задней кишке термитов, питающихся
древесиной, содержатся азотфиксирующие бактерии, и,
возможно, они-то и являются главным источником азота
для термитов. Термиты играют важную роль
в,разложении мертвых деревьев и других материалов,
содержащих целлюлозу, и, возможно, пополняют запас
почвенного азота за счет такой фиксации, в частности, в тро-,
пических областях [8, 13]. Земляные черви и их
экскременты точно так же обладают небольшой активностью
нитрогеназы.
БЕЗЛЕСНЫЕ РАЙОНЫ
Опыты с лизиметрами показали ежегодное
поступление 45 кг/га азота под горчицей и 50—74 кг/га под
многолетними злаками и ирисами [62]. В Западной
Австралии в пылеватой почве райграсного пастбища без
бобовых за три года накапливалось 185 кг/га азота. Когда
такие злаковые травостои следовали за пшеницец,
плодородие почвы восстанавливалось, что было видно по
урожаям последующих культур; это могло быть в
основном обусловлено несимбиотической фиксацией
азота. На более грубых почвах этого не происходило
возможно потому, что лучшая аэрация снижала фиксацию
азота [65]. В таких местообитаниях, как канадские
прерии, с очень высоким содержанием органического
вещества в почвах, ежегодно фиксируется всего 2—3 кг азота
на 1 га [67]. Значительная часть этой активности
связана с мхами, содержащими сине-зеленые водоросли
[88]. В торфянистых почвах активность также
низка [90].
Опыты на Ротамстедской станции, проведенные еще
в 1917 г., а также опыты в других местах показали,
что внесение в почву соломы или навоза может усилить
фиксацию азота, в частности, в условиях
переувлажнения [5, 15]. Происходит ли фиксация азота, когда
стерню запахивают в почву, это спорный вопрос. Во время
разложения соломы часто образуются вещества,
токсичные для проростков зерновых, и при непрерывном
выращивании зерновых возможные преимущества от
усиленной фиксации азота нужно оценивать с учетом
таких, возможно, вредных влияний.
Добавление ко многим почвам сахара или мелассы
сильно и без задержки стимулирует активность нитро-
286
геназы, из чего можно заключить, что деятельность
азотфиксирующих бактерий могла лимитироваться
недостатком углеводов (см., например [15]).
Несимбиотическая фиксация азота важна в области
тундр*. Здесь встречаются растения с клубеньками, хотя
относительно редко. Существенная активность нитроге-
назы наблюдается в верхних 10 см почвы, несмотря на
то, что температура почвы редко превышает 5°С.
Наибольшая активность обнаружена на плохо
дренированных лугах с преобладанием осоки [85]. Мхи и
лишайники также изобилуют в таких районах, и связанные с
ними сине-зеленые водоросли, часто межклеточные,
также фиксируют азот [2].
Сине-зеленые водоросли выделяли из вод
Антарктики и из горячих источников, и, таким образом, они
могут успешно фиксировать азот в температурном пределе
почти от 0 и до 50°С [83]. Их способность выживать
при высоких температурах и иссушении в форме акинет
позволяет им быстро развиваться, когда почва снова
увлажняется. В условиях пустыни водоросли часто
образуют корку на поверхности почвы, активно
фиксирующую азот [33, 57, 73]. На поле Бродбок Ротамстедской
станции в слегка иссушенных поверхностных корках
активность нитрогеназы можно установить уже через два
часа после их увлажнения — замечательное
превращение из неактивного состояния в активное,
свидетельствующее о том, что некоторые гетероцисты и вегетативные
клетки переносят иссушение [94]. Лишайниковые
ассоциации ряда родов сине-зеленых водорослей и грибов
существуют во многих местообитаниях от арктических
до 'пустынных именно благодаря этой способности;
активность нитрогеназы на единицу массы белка
водорослей в таких ассоциациях может быть гораздо выше, чем
у водорослей в чистой культуре, и эта активность
зависит от быстрого переноса фиксированного азота от
водоросли к грибу [33, 44, 52, 60]. Nostoc также образует
симбиоз с Gunnera, способный фиксировать
большинство азота, требующегося для растения [7, 79].
Сине-зеленые водоросли имеют также важную нишу
в менее экстремальных условиях. Они изобилуют в
эстуариях и соленых маршах, где активно фиксируют азот
[33, 83]. Озерная вода обычно содержит мало
неорганических соединений азота, что благоприятствует росту
азотфиксирующих организмов. Когда содержание фос-
287
фора не бывает лимитирующим фактором, то часто
происходит массовое развитие азотфиксирующих
сине-зеленых водорослей («цветение воды») [83, 86]. Такие
водоросли широко распространены в некислых почвах, где
их активность ограничивается сомкнутым растительным
покровом, но в открытых влажных местоположениях или
в неглубоких прудах они фиксируют азот в
значительных масштабах [35, 41, 42].
Сине-зеленые водоросли играют также роль в
накоплении азота в песчаных дюнах, и фиксированный азот
переносится к сопутствующим растениям [84]. Такие
дюнные растения, как Ammophila arenaria [40] и Spi-
nifex hirsutus (частное сообщение А. У. Мура),
по-видимому, также участвуют в этом, возможно, в
.результате фиксации азота бактериями, связанными с их
ризосферой. В таком местообитании низкое содержание
питательных веществ — это основной фактор,
лимитирующий повышение плодородия.
Водные растения также могут стимулировать
фиксацию азота бактериями, тесно связанными с их корнями
и корневищами. Вода обеспечивает анаэробную среду,
благоприятную для активности нитрогеназы.
Тропические морские злаки Thalassia, Syringodium и Diplanthe-
га и растущая также в умеренной зоне Zostera
располагают активными ассоциациями в некоторых
местностях [58, 66], и травостои Thalassia, по расчетам,
фиксируют достаточно для удовлетворения потребности
растений в азоте. Аналогичным образом пресноводные
растения Glyceria borealis и виды Typha стимулируют
фиксацию азота, оцениваемую для системы манника в
60 кг/га азота в год [14].
Таким образом, две наиважнейшие несимбиотиче-
ские азотфиксирующие системы в умеренной зоне — это
бактерии, связанные с ризосферой ряда двудольных и
немногих однодольных растений, и сине-зеленые
водоросли на поверхности почвы, в воде или внутри клеток
растений.
12.4. АКТИВНОСТЬ НИТРОГЕНАЗЫ
В ТРОПИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Многие системы тропического земледелия сильно
зависят от несимбиотической фиксации азота для
поддержания плодородия почвы. При переложной системе зем-
288
леделия закустаренный перелог в промежутках между
периодами обработки часто содержит бобовые растения,
но они обычно не преобладают, и, следовательно, для
накопления азота в период парования важна несимбио-
тическая фиксация азота [38, 63]. В области саванн
азот теряется во время частого выжигания травы. На
необрабатываемых площадях преобладающий наземный
покров образован злаками, а не бобовыми, хотя могут
встречаться бобовые кустарники и деревья.
Зернобобовые культуры также часто включаются в ротацию, но
преобладают зерновые и корне- и клубнеплоды. В Азии
рис выращивают непрерывно на одних и тех же полях,
вероятно, на протяжении тысяч лет, без больших
изменений плодородия почвы, хотя в нее не вносили
никаких азотных удобрений. Азот, удаляемый с урожаями
риса, возмещался несимбиотической фиксацией азота.
ЗЛАКОВЫЕ ТРАВЫ
Азотфиксирующие бактерии были обнаружены во
многих тропических почвах. Так как многие из этих
почв кислы, здесь наиболее обычны виды Beijerinckia и
Clostridium с небольшим участием Azotobacter chroococ-
cum [6, 25]. Ряд однодольных растений и, в
частности, сахарный тростник стимулируют размножение
видов Beijerinckia в своей ризосфере [24]. Однако
неулучшенный широколистный copT'batatais' Paspalumnotatum,
злака, доминирующего на многих кислых, бедных
азотом песчаных почвах в Бразилии, специфично
стимулирует рост азотфиксирующей бактерии Azotobacter pas-
pali. Эта бактерия плохо приживается в ризосфере
других сортов и видов [25].
Исследования на Ротамстедской станции выявили
значительную активность нитрогеназы, связанную с
корнями растений паспалума сорта 'batatais' [28]. Отрезки
корня и корневища, инкубированные аэробно,
характеризовались низкой активностью нитрогеназы, но при
парциальном давлении кислорода около 0,04 атм
активность поддерживалась больше 24 ч после лаг-периода в
12—20 ч. Во взятых буром монолитах с растениями
диаметром 15 см лаг-периода не было, и активность
нитрогеназы была одинаковой как на воздухе, так и при
парциальном давлении кислорода 0,04 атм, из чего видно,
что неповрежденные системы обеспечивают подходящее
19 Почвенная микробиология
289
давление кислорода для фиксации азота. Отмывание
корней для удаления почвы мало влияло на активность.
Активность ненарушенного монолита была больше
суммарной активности почвы, корней или листьев,
инкубированных отдельно. Было высчитано, что паспалум
отмеченный (байа-грас) может фиксировать 100 кг N/ra
в год. Начав рост с небольших кусочков корневища,
растения паспалума на растворе без азота в
вермикулите за два месяца фиксировали 84 мг азота [26].
Сахарный тростник также стимулировал
значительную фиксацию азота в ризосфере, но почва в середине
междурядий, где не было корней, также была
активной, предположительно потому, что сток с листьев после
дождя здесь самый обильный и приносит с собой сахар
с листьев — источник энергии для фиксации [29].
К настоящему времени установлено, что
большинство важных тропических злаков из ряда стран трех
континентов обладает значительной активностью нитро-
геназы в ризосфере (табл. 7) [4, 20, 22, 26, 28, 29, 51,
69, 72, 91, 95]. Низкая активность обнаружена в филло-
сфере ряда растений, особенно во влажных тропиках, но
это, вероятно, не имеет значения для растений [10,74].
Активность в ризосфере связана с фазой роста
растения; она невелика после цветения и колеблется на
протяжении сезона и из года в год, вероятно, реагируя
на изменения в содержании воды в почве и в
температуре [22]. Фиксация азота, видимо, тесно связана с
фотосинтезом; она изменяется на протяжении дня с
пиками активности у паспалума отмеченного и сорго
обыкновенного около полудня и около полуночи [26].
Утрата активности, когда растения выдерживают в темноте,
восстанавливается через несколько часов после
возвращения к свету [28]. Добавление сахара к корням и
корневищам паспалума отмеченного усиливало активность
растений, выдерживаемых в темноте, но не активность
незатененных растений, что свидетельствует о тесной
зависимости между численностью азотфиксирующих
организмов и запасами углеводов в ризосфере [26].
Добавление сахара к почве не из ризосферы, но
полученной из-под травостоев P. notatum [28] и ряда других
злаков из Нигерии [20], усиливало активность нитроге-
назы без умножения числа азотфиксирующих бактерий,
из чего следует, что активность йитрогеназы в почве
лимитируется доступностью углеводов,
290
Таблица 7. Азотфиксирующие ассоциации
с тропическими однодольными растениями
Растение
Brachiaria mutica
В. rugulosa
Cymbopogon citratus
Cynodon dactylon
Cyperus rotundus
Digitaria decumbens
Hyparrhenia rufa [
Melinis minutiflora
Panicum maximum
Paspalum notatum
Pennisetum purpureurn
Saccharum officinarum
Sorghum vulgare (проростки) 1
Andropogon gayanus
Cenchrus ciliaris i
Cymbopogon giganteus
Cynodon dactylon
Cyperus spp.
Hyparrhenia rufa
Hypothelia dissoluta J
Panicum maximum 1
Paspalum commersonii j
P. virgatum 1
Pennisetum purpureurn
P. coloratum
Setaria anceps
Pennisetum typhoides
Sorghum 1
Andropogon spp.
Brachiaria brachylopha 1
Bulbostylis aphyllanthoidcs
Cyperus obtusiflorus |
C. zollingeri 1
Cyperus sp. 1
Fimbristylis sp.
Hyparrhenia dissoluta
Loudetia simplex 1
Проростки кукурузы I
Рис J
Проростки риса (в пробирках)
Setaria anceps ' [
Pennisetum clandestinum \
Место
происхождения
Бразилия
Нигерия
Берег Слоновой
кости
Франция
США
Филиппины
Берег Слоновой
кости
Франция
Австралия
Активность ни-
трогеназы в
нМ С2Н4 на
1 г корней/ ч
150-750
5—150
2
20—270
10—30
20—400
20—30
15—40
20—300
2—300
5—1000
5—20
10-100
15—270
16
60—85
10—50
2
30—140
10—15
75
25—30
3
60
13
1—120
3-195
• 22—83
50—380
100—140
74
30—620
50—160
150—1900
80—190
2—4
54
100—3000
14—16
8-80
1040—2360
10—3000
68
21-140
19*
291
Рис. 25.
/ — Разрез корня Paspalum noiaium (batatais) с широким слизистым слоем
(М), покрывающим эпидерму. Корень также сильно заражен
микоризными грибами Endogone, и две споры (S) видны на разрезе, Х144; II—Azo-
tobacter paspali из бульонной безазотистой культуры с очень разными
размерами клеток, Х530; III — Azotobacter chroococcum из бульонной без-
Опыты с использованием 15N показали, что часть
фиксированного азота переносилась от бактерий в
растения уже через 17 ч и, следовательно, бактерии
выделяли какое-то азотистое соединение, которое легко
поглощалось растением [27]. Сколько фиксированного
азота поступает в растение непосредственно, а не после
разложения бактерий, пока неизвестно. Испытания
растений Pennisetum purpureum в полевых условиях
показали, что фиксацией азота покрывалось примерно две
трети потребности растений в азоте. Внесение под
P. purpureum, Digitaria decumbens и Paspalum notatum
азота в дозе 20 кг/га каждые две недели не оказывало
никакого влияния на рост растений даже после
восьмикратного внесения, а следовательно, только активности
нитрогеназы достаточно для покрытия потребности
растений в азоте. Активность нитрогеназы снижалась через
два часа после внесения аммония, но через 24 ч
растения, удобренные нитратом или аммонием, имели
одинаково низкую активность. Через неделю активность
восстанавливалась до ее уровня у неудобренных растений
[22], а следовательно, внесение азотных удобрений
оказывало лишь преходящее влияние на эту связанную с
ризосферой фиксацию азота.
Фиксация азота, связанная с Paspalum notatum,
Pennisetum purpureum [26] и Digitaria decumbens [27],
очень сильно колебалась у разных сортов и даже экоти-
пов, что указывает на большой простор для селекции
растений в стимуляции этой активности. Корни
Paspalum notatum сорта batatais имели местами толстое
слизистое покрытие, и это, возможно, обеспечивало
должную нишу для фиксаций (рис. 25). Активность
локализована в корневой системе растений Digitaria
decumbens, выращенных в полевых условиях, и большая часть
ее обнаруживается на корнях средней толщины, вблизи
мест появления боковых корней; более половины
корневой системы остается неактивной, и меньше трети ее
очень активна. Такие активные части корней имеют
больше клеток коры, заполненных бактериями, чем
менее активные части, и поэтому можно думать, что они
азотистой культуры с клетками почти одинаковой величины, Х960, IV —
грамположительные, спорообразующие, азотфиксирующие аэробные
бактерии, сходные с Bacillus polyтуxa, выделенные из ризосферы
нигерийского злака, ХЮ60, V — грамотрицательные, азотфиксирующие бактерии,
выделенные с корней Stachys sylvatica, с характерными включениями
(поли р-оксибутират), X 1520.
293
имеют отношение к фиксации азота [27]. Это могло бы
объяснить, почему отмывание корней лишь немного
снижает активность. Такая ассоциация имеет сходство с
небобовыми корневыми клубеньками.
ЗЕРНОВЫЕ КУЛЬТУРЫ
Некоторые зерновые культуры, выращиваемые в
тропиках, также стимулируют активность нитрогеназы, и
среди них рис — наиболее активное растение с
фиксацией азота бактериями на поверхности корней [51, 72,
95]. Азотфиксирующие сине-зеленые водоросли
неизменно обнаруживают на рисовых полях [89]. Инокуляция
воды рисовых полей этими водорослями также
стимулирует рост и повышает урожаи риса даже при
внесении азотных удобрений [87]. Часть этой отзывчивости
может быть обусловлена образованием водорослями
гиббереллина или ауксина. В настоящее время такая
инокуляция экономически целесообразна. Фотосинтези-
рующие, фиксирующие азот бактерии также изобилуют
на рисовых полях в Японии, и считается, что они
значительно дополняют азотный баланс таких почв [53].
В Азии небольшой папоротник Azolla обильно растет в
воде и на поверхности почвы рисовых полей и содержит
Anabaena azollae в подустьичной камере; эта
ассоциация, согласно расчетам, фиксирует до 120 кг/га азота
за сезон [7, 35, 61]. Выгода от этого оценена
вьетнамскими крестьянами, которые в начале сезона инокули-
руют рисовые поля Azolla.
С увеличением стоимости азотных удобрений и
возрастающим использованием сортов риса, отзывчивых на
удобрения, возможность дополнения удобрений
фиксацией азота при культуре риса становится более важной.
Активность нитрогеназы была также обнаружена на
корнях кукурузы [69, 91], сорго и проса в полевых
условиях (неопубликованные данные Джонса и Дарта) и
на корнях ямса и батата, выращиваемых в сосудах.
У всех тропических растений, у которых до
настоящего времени было обнаружено стимулирование
большой активности на корнях, за исключением риса, путь
фотосинтеза идет через С—4 дикарбоновую кислоту в
отличие от цикла Кельвина с С—3-соединениями у
большинства растений умеренной зоны. Растения,
пользующиеся первым путем, характеризуются большой скоро-
294
стью фотосинтеза, которая не насыщается высокой
интенсивностью света в тропиках и имеет температурный
оптимум между 30 и 40°С. Больше сухого вещества
накапливается у них на единицу транспирируемой воды,
и у таких растений наибольшая в мире скорость роста
[12]. Считается, что эти растения перемещают больше
своих углеводов к корням и выделяют их больше в
ризосфере. Интересно, что растение, которое связывали с
фиксацией азота в некоторых опытах Вертело в 1885 г.,
Amaranthus pyramidalis, вероятно, относится к этому же
типу.
12.5. ОРГАНИЗМЫ, УЧАСТВУЮЩИЕ
В ФИКСАЦИИ АЗОТА
Было доказано, что около 47 видов бактерий из
12 семейств фиксируют азот. Они встречаются во многих
местообитаниях, включая воду, и представляют
пеструю гамму грамотрицательных и грамположительных
организмов, аэробных, факультативно анаэробных и
анаэробных, споро- и цистообразующих, фотосинтезирую-
щих и нефотосинтезирующих, окисляющих метан и
восстанавливающих сульфаты [18]. Азот могут
фиксировать сине-зеленые водоросли из 18 родов [18, 33]. Пока
неясно, какие бактерии больше всего вовлечены в
фиксацию азота в ризосфере растений. Бактерии могут быть
выделены из кусков корней фиксирующих азот, но
многие изоляты трудно поддерживать в чистой культуре.
Некоторые лучше растут в смешанных культурах с
организмами, не фиксирующими азот, возможно дрожжами,
или, как показали Катлер и Бал [17] в 1926 г., с
простейшими.
Создается впечатление, что многие из организмов,
участвующих в фиксации азота на корнях, разборчивы
в их пищевых требованиях. Вследствие трудности
выделения или культивирования анаэробов мы мало
знаем об их причастности к этому. Многие из выделенных
бактерий могут расти анаэробно, но при выращивании
на воздухе или даже при парциальном давлении
кислорода 0,04 атм образуют колонии иной формы.
Обычно выделяемые организмы относятся к Entero-
bacteriaceae — это виды Klebsiella, Enterobacter или
Escherichia. Аномальные реакции при изучении культур
затрудняют идентификацию видов. Такие организмы в
295
большом числе находили на корнях Stachys sylvatica и
Mercurialis perennis на Ротамстедской станции [39], на
растениях кукурузы и сои или гниющей древесине в
Северной Америке [31, 77], на "корнях ряда злаков из
Северной Нигерии [20] и на корнях злаков в Новой
Зеландии [56]. Виды Klebsiella и Enterobacter имеют
большие капсулы полисахаридной природы и много
внеклеточного материала, некоторые образуют тяжи,
окрашиваемые толуидиновой синей или карбол-фуксином
аналогично белкам (рис. 26, е,/). Роль такого
внеклеточного материала может заключаться в обеспечении
благоприятного для фиксации парциального давления
кислорода.
Организм Derxia gummosa, обычно находимый в
тропических почвах [25], растет в аэробных условиях на
агаре, образуя колонии с твердой поверхностью [45].
Мы выделили аналогичный организм из экскрементов
земляных червей в Бродбоке (рис. 26,1). Такие
организмы растут с трудом и могут остаться
незамеченными при использовании метода разведений.
Подсчет азотфиксирующих бактерий на корнях
труден. Подсчет методом разведения становится
ненадежным, если процедура разведения отражается на росте
организма [11]. Для преодоления этого был
использован метод, при котором комочки почвы посыпали на
свободный от азота агар. Однако наиболее трудной
проблемой было количественное удаление бактерий с
поверхности корней. Если часть их находится в клетках
коры корня, то требуется мацерация. Некоторые не
фиксирующие азот бактерии хорошо растут на минимальных
количествах связанного азота и приводят к ошибкам
при подсчете чашечным методом. Нелегко подобрать
подходящий субстрат. Важный организм Spirillum lipo-
ferum (рис. 26,111), впервые выделенный Бейеринком в
1923 г. и встречающийся в почвах и умеренной зоны,
и тропиков [27], остался вне поля зрения вследствие его
специфических требований к источнику углерода,
предпочтительно малата или аспартата. Глюкозу и сахарозу
он не использует. Интересно, что малат и аспартат —
это ранние промежуточные продукты фотосинтеза по
типу С—4, но они не образуются при фотосинтезе по типу
С—3. Если бы избыток малата переносился к
корням, это могло бы создавать избирательное
преимущество для таких организмов, как 5. lipoferum. Для выде-
296
Рис. 26.
/ — рост культуры азотфиксатора, выделепнного из копролитов земляных
червей в залежи Бродбока; типичны немногие, изолированные, крупные
колонии с очень твердой поверхностью. На врезке другой посев того же
организма; // — Spirillum lipoferum; III — Beijerinckia indica с типичными
полярными гранулами; IV — Beijerinckia fluminensis с двумя и больше бактериями,
заключенными в оболочку; V — Enterobacter, выделенный из корней Stachys
sylvatica и окрашенный йодной кислотой с реактивом Шиффа; VI—VIII —
Enterobacter с крупными капсулами, выделенный из корней нигерийского
злака: VII — окрашивание толуидиновой синей; много материала вне капсул
и между бактериями окрашивается в темно-синий цвет, свидетельствуя о
базофильной природе; во врезке — препарат, окрашенный тушью с плотным
материалом внутри капсулы; VII1 — окрашивание карбол-фуксином,
выделившим пучки темнее окрашенного материала, расходящиеся от бактерий.
Препараты II—VIII — все из бульонной, базазотистой культуры, Х1300; препараты
//—IV — фазово-коитрастные, не окрашенные.
ления S. lipoferum из корней Digliaria decumbens или
других тропических злаков отрезок корня погружают в
полутвердый, свободный от азота малатный субстрат, и
после инкубации в течение примерно 30 ч появляется
тонкая пленка роста вокруг отрезка корня, содержащая
почти чистую культуру Spirillium. Эти неочищенные
культуры очень эффективно фиксируют азот (до 40 мг
азота на 1 г малата при определении по Кьельда-
лю [27].
Beijerinckia indica и В. fluminensis (рис. 26, III и IV)
обычны в тропических почвах и вызывают заметный
эффект ризосферы у некоторых растений [24, 25].
В. fluminensis образует оболочку, заключающую две
или больше бактерий, возможно, как средство защиты
от числорода у Klebsiella pneumoniae, выделенной из
корней Stachys sylvatica, при окрашивании йодной
кислотой с реагентом Шиффа можно видеть плотный
защитный слой у капсул, напоминающий оболочку
Beijerinckia fluminensis. Грамположительный спорообразую-
щий организм с корней злака из Нигерии был аналогичен
Bacillus polymyxa (рис. 25, IV).
Азотобактер обычно присутствует в небольшом числе
или его совсем нет на поверхности корней даже после
инокуляции. Стимулирующее рост растений влияние в
результате инокуляции азотобактером считают
обусловленным образованием бактериями гормона, а не
фиксацией азота (см. главу 2). Однако Paspalum notatum
оказывал стимулирующее действие на Azotobacter pas-
pali, но численность бактерий и фиксация азота
коррелировали недостаточно четко [28]. Корни можно
полностью отмыть от Л. paspali, и, однако, все еще
сохраняется некоторая активность нитрогеназы (частное
сообщение М. Э.Браун), из чего следует, что некоторая
фиксация могла производиться другими организмами.
Л. paspali оказывает такое же стимулирующее рост
влияние на различные растения, как и Azotobacter chroo-
соссит. A. paspali — удивительный организм,
образующий в культуре клетки длиной до 150 мкм, которые от-
почковывают меньшие по размеру яйцевидные клетки,
равные клеткам Azotobacter chroococcum (рис. 25, II, III).
Возможное исключение этой уменьшающейся роли
азотобактера в фиксации азота наблюдается на
Ближнем Востоке. Сообщается о большой численности
Л. chroococcum в обрабатываемых почвах (до 107 на 1 г
298
почвы), а также в поливной воде. Заделка
растительных остатков увеличивает численность азотобактера и
усиливает фиксацию азота. Азотфиксирующие клостри-
дии также имеются здесь в большом числе (до 108 на
1 г почвы) [1].
Хотя возможно образовать фиксирующие азот
сообщества растений из черенков, такую систему пришлось
бы создавать из стерилизованных проростков, инокули-
рованных чистыми культурами бактерий. По-видимому,
подходящие азотфиксирующие организмы широко
распространены в почве и маловероятна перспектива
получения преимуществ от инокуляции семян. Главным
лимитирующим фактором, видимо, остается доступность
углеводов в корнях растений.
12.6. ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
Лишайники и сине-зеленые водоросли играют
важную роль, первыми заселяя поверхность материнских
пород в процессе почвообразования. Многие
местообитания растений способны к эффективному круговороту
имеющегося в них азота и, таким образом, их
потребность в фиксации атмосферного азота невелика.
Поступление с осадками кажется небольшим (обычно меньше
10 кг/га в год) и в умеренной зоне и в тропиках [30].
После выжигания растительности большая часть
теряемого азота, если не весь, возвращается с осадками;
правда, она распределяется на гораздо большую
территорию, чем та, что выжигалась. Нарушение этих
природных систем путем выжигания или обработки, как при
переложной системе земледелия, увеличивает
количество азота, необходимое для поддержания равновесия.
Фактическое поступление обычно бывает большим,
когда растения, образующие клубеньки, входят в состав
растительности.
В умеренной зоне несимбиотическая фиксация азота
микроорганизмами не имеет значения там, где высокие
урожаи культур требуют массированного внесения
азота удобрений. При современных системах обработки
почвы под зерновые открытая почвенная структура,
возможно, препятствует несимбиотической фиксации азота,
связанной с корнями растений. Применение гербицидов
также снижает потенциальный источник азота,
уничтожая сорняки. Если бы солому запахивали вместо сжи-
299
гания, это, вероятно, усилило бы несимбиотическую
фиксацию азота на пахотных землях. Такая фиксация, по-
видимому, играет значительную роль только в лесистых
местностях и на неулучшенных пастбищных
территориях. В настоящее время мы ничего не знаем о
возможностях злаков умеренной зоны стимулировать фиксацию
азота в их ризосфере.
В умеренной зоне с интенсивными системами
земледелия фиксация азота может уравновесить относительно
низкую продуктивность некоторых почв. Производство
пшеницы в разных частях Австралии привело к
севооборотам с небольшим участием бобовых или без них
и лишь с небольшим снижением урожаев. Однако
введение в севооборот сеяных пастбищ или подсева
бобовых сильно повышает продуктивность земель.
В тропических почвах участие несимбиотической
фиксации азота гораздо значительнее. Менее 10%
необрабатываемых земель в Южной Америке и Африке —
это улучшенные пастбища [32]. В естественной
растительности бобовые редки, однако расчеты показывают,
что фиксация азота, большей частью несимбиотически-
ми организмами, может быть значительной с
накоплением до 165 кг/га азота в год для равнинных лесов,
73 кг/га для самовозобновляющихся дождевых лесов,
45 кг/га для горных лесов и 17 кг/га для саванны [36].
Полевые опыты, проводившиеся в течение трех лет в
Ибадане, Нигерия, в равнинной влажной тропической
зоне, показали накопление 595 кг/га азота в год для
восстанавливающихся кустарников и 90 кг/га под
покровом Cynodon plectostachyus [45]. Экстраполирование
результатов наших биоиспытаний с восстановлением
ацетилена показывают, что другие тропические злаки
способны к более высоким уровням фиксации атмосфер*
ного азота.
Злаки, стимулирующие фиксацию, имеют более
высокий темп накопления сухого вещества, и это
ценное дополнение к бобовым на пастбищах. К счастью,
некоторые из улучшенных злаков, такие, как Setaria
anceps сортов Казангула и Нанди и сорта Pennisetum
purpureum, P. clandestinum и Digitaria decumbens, очень
активно стимулируют фиксацию атмосферного азота и
в то же время более переваримы для животных, чем
неулучшенные, грубые местные злаки. Сине-зеленые
водоросли также фиксируют гораздо больше в тропических
300
условиях, чем в умеренной зоне, где почвенная вода
может лимитировать их рост [33].
Несимбиотическая фиксация, связанная с зерновыми
культурами, потенциально наиболее ценна для
тропического земледелия. В ряде полевых опытов с сорго и
просом (и с сахарным тростником) выявили слабую
отзывчивость на удобрение азотом или отсутствие
отзывчивости и расчеты балансов азота, вместе с анализами
активности нитрогеназы, показывают, что связанная с
корнями несимбиотическая фиксация азота поставляет
значительную часть необходимого азота. Кукуруза,
растение с фотосинтезом типа С—4, подвергалась
интенсивной селекции, и это, возможно, объясняет
относительно низкий уровень фиксации азота, отмеченный до
настоящего времени в умеренной зоне; возможно,
более высокие температуры тропиков будут
стимулировать большую активность. Селекция растений на
повышенную фиксацию азота представляет захватывающие
возможности. Сейчас мы мало знаем о влиянии других
факторов, таких, как содержание воды в почве, уровень
плодородия и частота скашивания для злаков, на не-
симбиотическую фиксацию азота в ризосфере растений.
Раскрытие потенциалов для несимбиотической
фиксации азота в поддержании плодородия почвы обещает
стать благодарной областью исследований.
Л ИТЕРАТУРА
1. Abd-El-Malek Y. Free living nitrogen-fixing bacteria in
Egyptian soils and their possible contribution to soil fertility,
Plant and Soil Special Volume, 423—442 (1971).
2. Alexander V. A. Nitrogen fixation by algae in polar and
sub-polar regions, in Nitrogen Fixation by Free-living
Microorganisms (ed. by W. D. P. Stewart), 179—188. Cambridge
University Press (1975).
3. Balandreau J., Dommergues Y. Assaying nitrogenase
(C2H2) activity in the field, Bulletins from the Ecological
Research Committee, 17, 247—254 (1973).
4. Balandreau J., Villemin G. Fixation biologique de Tazote
moleculaire en savane de lamto (basse Cote d'lvoire) resultats
preliminaires, Revue d'Ecologie et de Biologie du Sol., 10, 26—33
(1973).
5. Barrow N. J., J e n k i n s о n D. S. The effect of water-logging
on fixation of nitrogen by soil incubated with straw, Plant and
Soil, 16, 258—262 (1962).
6. В е с k i n g J. H. Studies on nitrogen fixing bacteria of the genus
Beijerinkia. I. Geographical and ecological distribution in soils,
Plant and Soil, 14, 49—8 J (1961).
301
7. Backing J. H. Nitrogen fixation in some natural ecosystems
in Indonesia, in Symbiotic Nitrogen-Fixation (ed. by P. S. Nut-
man). Cambridge University Press (in press).
8. В enema nn J. R. Nitrogen fixation in termites, Science, 181,
164—165 (1973).
9. Berthelot M. Fixation direete de l'azote atmospherique libre
par certains terrains argileux, Compte Rendu (hebdomadoire) des
seances de VAcademie du Sciences, 101, (1885).
10. Bessems E. P. M. Nitrogen fixation in the phyllosphere of
Gramineae, Agricultural Research Reports. Centre for
Agricultural Publishing and Documentation, Wageningen, 786 (1973).
11. В ill son S., Williams K., Post gate J. R. A note on the
effect of diluents on determination of viable numbers of Azoto-
bacteriaceae, /. Applied Bacteriology, 33, 270—273 (1970).
12. Black С. С Ecological implications of dividing plants into
groups with distinct photosynthetic production capacities,
Advances in Ecological Research, 7, 87—114 (1971).
13. Breznak J. A., Brill W. J., Mertins J. W., Cop-
pel H. С Nitrogen fixation in termites. Nature, 244, 577—580
(1973).
14. Bristow J. M. Nitrogen fixation in the rhizosphere of
freshwater angiosperms, Canadian J. Botany, 52, 217—'221
(1974).
15. В г о u z e s R., M а у f i e 1 d С I., Knowles R. Effect of
oxygen partial pressure on nitrogen fixation and acetylene reduction
in a sandy loam soil amended with glucose, Plant and Soil
Special Volume, 481—494 (1971).
16. Corn a by B. W., Waide J. B. Nitrogen fixation in decaying
chesnut logs, Plant and Soil, 39, 445—448 (1973).
17. Cutler D. W., Bal D. V. Influence of protozoa on the
process of nitrogen fixation by Azotobacter chroococcum, Annals of
Applied Bioi gy, 13, 516—534 (1926).
18. D alto n H. Fixation of dinitrogen by free-living
microorganisms, CRC Critical Review in Microbiology, 3, 183—220 (1974).
19. Dart P. J., Day J. M., Harris D. Assay of nitrogenase
activity by acetylene reduction, in Use of Isotopes for Study of
Fertiliser Utilization by Legume Crops, 85—100. International
Atomic Energy Agency, Vienna (1972).
20. Dart P. J., Harris D., Day J. M. Nitrogen fixation
associated with the roots of tropical grasses, Report of Rothamsted
Experimental Station for 1972, Part ly 87—88 (1973).
21. Day J., Harris D,, Dart P. J., Van Berkum P. The Bro-
adbalk experiment. An investigation into gains from
non-symbiotic nitrogen fixation, in Nitrogen Fixation by Free-living
Microorganisms (ed. by W. D. P. Stewart), 71—84. Cambridge
University Press (1975).
22. Day J. M., Neves M. С. Р., Dobereiner J. Nitrogen
fixation on the roots of tropical forage grasses, Soil Biology and
Biochemistry (in press).
23. D i 1 w о r t h M. J. Acetylene reduction by nitrogen-fixing
preparations from Clostridium pasteurianum, Biochemica et Biophy-
sica Acta, 127, 285—294 (1966).
24. D 6 b e r e i n e r J. Nitrogen-fixing bacteria of the genus Beije-
rinckia Derx in the rhizosphere of sugar cane, Plant and Soil,
15, 211—216 (1961).
302
25. D б b e r e i ne г J., Campelo^A. B. Non-symbiotic nitrogen
fixing bacteria in tropical soils, Plant and Soil Special Volume,
457—470 (1971).
/26. Dobereiner J., Day J. M. Nitrogen fixation in the rhizos-
phere of tropical grasses, in Nitrogen Fixation by Free-living
Micro-organisms (ed. by W. D. P. Stewart), 39—56. Cambridge
University Press (1975).
27. D б b e r e i n e r J., D а у J. M. Associative symbioses in tropical
grasses: characterilization of microorganisms and dinitrogen
fixing sites, in International Symposium on Nitrogen Fixation,
Washington State University (in press).
28. D б b e r e i n e r J., D а у J. M., D a r t P. J. Nitrogenase activity
and oxygen sensitivity of the Paspalum notatum — Azotobacter
paspali association, /. General Microbiology, 71, 103—116
(1972).
29. Dobereiner J., Day J. M., Dart P. J. Nitrogenase activity
in the rhizosphere of sugar cane and some other tropical grasses,
Plant and Soil, 37, 191—196 (1972).
30. E r i к s s о n E. Composition of atmospheric precipitation. I.
Nitrogen compounds, Tellas, 4, 145—270 (1952).
31. Evans H. I., Campbell N. E. R., H i 11 S. Asymbiotic
nitrogen-fixing bactheria from the surface of nodulues and roots
of legumes, Canadian J. Microbiology, 18, 13—21 (1972).
32. FAO Production Yearbook, 24 (1970).
33. Fogg D. E„ Stewart W. D. P., F а у P., W a 1 s b у А. Е.
The Blue-green Algae. Academic Press, London, (1973).
34. Fro gg at P. J., Keay P. J., Witty J. F., Dart P. J.,
Day J. M. Algal fixation in Rothamsted Fields, Report of Roi-
hamsted Experimental Station for 1972, Part 1, 87 (1973).
35. G r a n h a 11 U. Studies on nitrogen fixation by algae in
temperate soils, in Nitrogen Fixation by Free-living Micro-organisms
(ed. by W. D. P. Stewart), 189—198. Cambridge University
Press (1975).
36. G r e e n 1 a n d D. J., N у е Р. Н. Increases in the carbon and
nitrogen contents of tropical soils under natural fallows, /. Soil
Science, 10, 284—299 (1959).
37. Hardy R. W. R, Burns R. С, Н о 1 s t e n R. D. Applications
of the acetylene-ethylene assay for measurement of nitrogen-
fixation, Soil Biology and Biochemistry, 5, 47—81 (1973).
38. H a r r i s D. R. The ecology of Swidden cultivation in the upper
Orinoco rain forest Venezuela, Geographical Review, 61, 475—495
(1971).
39. H a r r i s D., D a r t P. J. Nitrogenase activity in the rhizosphere
of Stachys sylvatica and some other dicotyledenous plants, Soil
Biology and Biochemistry, 5, 277—279 (1973).
40. H a s s о u n a M. G., Wareing P. F. Possible role of
rhizosphere bacteria in the nitrogen nutrition of Ammophila arenaria,
Nature, 202, 467—469 (1969).
41. Henriksson E., Englund В., He den M. В., Was I.
Nitrogen fixation in Swedish soils by blue green algae, in
Taxonomy and Biology of Blue Green Algae (ed. by T. V. Desika-
chary), 269—273, Centre for Advanced Study in Botany, Madras
(1972).
42. Henriksson E. Algal nitrogen fixation in temperate regions,
Plant and Soil Special Volume, 415—419 (1971).
303
43. H i 11 S. Influence of oxygen concentration on the colony type of
Derxia gummosa grown on nitrogen-free media, /. General Micro-
biology, 67, 77—83 (1971).
44. H i t с h С J. В., Stewart W. D. P. Nitrogen fixation by
lichens in Scotland, New Phytologist, 72, 509—524 (1973).
45. J a i у e b о Е. O., Moore A. W. Soil nitrogen accretion under
different covers in a tropical rain-forest environment, Nature,
197, 317—318 (1963).
46. J e n к i n s о n D. S. The accumulation of organic matter in soil
left uncultivated, Report of Rothamsted Experimental Station for
1970, Part 2, 113—137 (1971).
47. J e n к i n s о n D. S. Organic matter and nitrogen in soils of. the
Rothamsted Classical Experiments, /. Science of Food and
Agriculture, 24, 1149—1150 (1973).
48. J e n s e n H. L. Contribution to the nitrogen economy of
Australian wheat soils, with particular reference to New South Wales,
Proceedings of the Linnean Society of New South Wales, 65,
1—22, (1940).
49. J о n e s K. Nitrogen fixation in the phyllosphere of the Douglas
Fir, Pseudotsuga douglasii, Annals of Botany, 34, 239—244
(1970).
50. J о r g e n s e n J. R., Wells С G. Apparent nitrogen fixation
in soil influenced by prescribed burning, Proc. SSSA, 35, 806—810
(1971).
51. Kalininskaya T. A., R а о V. R., Volkova N. Т., I p p o-
1 i t о v L. Т. Determination of the nitrogen-fixing activity of soil
collected under rice plantings by acetylene reduction assay, Micro-
biologiya, 42, 481—485 (1973).
52. Kallio P., Suhonen S„ Kallio H. The ecology of
nitrogen fixation in Nephroma arcticum and Solorina crocea, Report
Kevo Subarctic Research Station, 9, 7—14 (1972).
53. Kobayashi M., H a q u e M. Z. Contribution to nitrogen
fixation and soil fertility by photosynthetic bacteria, Plant and
Soil Special Volume, 443—456 (1971).
54. L a w e s J. В., G i 1 b e г t J. H. On the present position of the
question of the nitrogen of vegetation with some new results and
preliminary notice of new lines of investigations, Philosphical
Transactions of the Royal Society of London, 180, 1—107
(1889).
55. Lawes J. В., G i 1 b e r t J. Ы., P u g h E. On the sources of
nitrogen of vegetation; with special reference to the question of
whether plants assimilate free or uncombined nitrogen,
Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 151, 431—577
(1861).
56. L i n e M. A., L о u t i t M. W. Non-symbiotic nitrogen-fixing
organisms from some New Zealand tussock grassland soils, /.
General Microbiology, 66, 309—318 (1971).
57. M а у 1 a n d H. F., M с I n t о s h T. H., F u 11 e r W. H. Fixation
of isotopic nitrogen on a semi-arid soil by algal crust organisms,
Proc. SSSA, 30, 56—60 (1966).
58. M с г о у С. P., G о e r i n g J. J., С h a n e у В. Nitrogen fixation
associated with sea grasses, Limnology and Oceanography, 18,
998—1002 (1973).
59. M e i к 1 e j о h n J. Azotobacter numbers on Broadbalk Field,
Rothamsted, Plant and Soil, 23, 227—235 (1965),
304
60. M i 11 b a n к J. W. Nitrogen mejtabolism in Lichens. IV. The nit-
rogenase activity of the Nostoc phycobiont in Peltigera canina,
New Phytologist, 72, 1—10 (1972).
61. Moore A. W. Azolla: Biology and Agronomic significance,
Botanical Review, 35, 17—34 (1969).
62. M о о г е A. W. Non-symbiotic nitrogen fixation in soil and soil
plant systems, Soils and Fertilizers, 29, 113—128 (1966).
63. N у e P. H., G r e e n 1 a n d D. J. The soil under shifting
cultivation, Technical Communication No. 51, Commonwealth Bureau
of Soils (1960).
64. Ovington J. D. Studies of the development of woodland
conditions under different trees. IV. The ignition loss, water carbon
and nitrogen content of the mineral soil, /. Ecology, 44, 171—179
(1956).
65. P а г к e г С A. Non-symbiotic nitrogen-fixing bacteria in soil.
III. Total nitrogen changes in a field soil, /. Soil Science, 8,
48—59 (1957).
66. P a t r i q u i n D., К n о w 1 e s R. Nitrogen fixation in the rhizo-
sphere of marine angiosperms, Marine Biology, 16, 49—58 (1972).
67. Paul E. A., Myers R. J. K-, Rice W. A. Nitrogen fixation
in grassland and associated cultivated ecosystems, Plant and Soil
Special Volume, 495—507 (1971).
68. P г о к s с h G. Application of mass- and emission-spectrometry
for 14N/I5N ratio determination in biological material, in Isotopes
and Radiation in Soil-Plant Relationships, Including Forestry,
217—225. IAEA, Vienna (1972).
69. R a j u P. N., Evans H. J., S e i d 1 e r R. J. An asymbiotic
nitrogen-fixing bacterium from the root environment of corn,
Proceedings of the National Academy of Science of the United
States of America, 69, 3474—3478 (1972).
70. R i с e W. A., Paul E. A. The acetylene reduction assay for
measuring nitrogen fixation in waterlogged soil, Canadian J.
Microbiology, 17, 1049—1056 (1971).
71. Richards B. N. Nitrogen fixation in the rhizosphere of
conifers, Soil Biology and Biochemistry, 5, 149—152 (1973).
72. Rinaudo G., Balandreau J., Dommergues Y. Algal
and bacterial non-symbiotic nitrogen fixation in paddy soils,
Plant and Soil Special Volume, 471—479 (1971).
73. Rogers R. W., Lange R. T„ N i cho 1 a s D. J. D. Nitrogen
fixation by lichens of arid soil crusts, Nature, 209, 96—97 (1966).
74. Ruin en J. The phyllosphere. V. The grass sheath, a habitat
for nitrogen-fixing micro-organisms, Plant and Soil, 33, 661—671
(1970).
75. Schroder M. Die assimilation des Luftstickstoffs durch einige
Bakterien, Zentralblatt fur Bakteriologie, Parasitenkunde, Infek-
tionskrankheiten und Hygiene, Abt. II, 85, 177—212 (1932).
76. S с h 6 11 h о r n R., В u r r i s R. H. Acetylene as a competitive
inhibitor of N2 fixation, Proceeding of the National Academy cf
Sciences of the United States of America, 58, 213—216 (1967).
77. S e i d 1 e г R. J., A h о P. E., R a j u P. N.. E v a n s H. J.
Nitrogen fixation by bacterial isolates from decay in living white fir
trees (Abies concolor (Govd and Glend) Lindl.), /. General
Microbiology, 73, 413—416 (1972).
78. S h a r p R. F., M i 11 b a n к J. W. Nitrogen fixation in
deteriorating wood, Experientia, 29, 895—896 (1973)
20 Почвенная микробиология
305
70. Silvester W. Ё. Endophyte adaptation in Gunuera—Nostoc
symbiosis, in Symbiotic Nitrogen Fixation (ed. by P. S. Nutman).
Cambridge University Press (in press).
80. Silvester W. В., В e n n e t K. J. Acetylene reduction by roots
and associated soil of New Zealand conifers, Soil Biology and
Biochemistry, 5, 171—179 (1973).
81. Smith K- A., Rest all S. W. F. The occurrence of ethylene in
anaerobic soil, /. Soil Science, 22, 430—443 (1971).
82. S p i f f E. D., О d u C. T. I. Acetylene reduction by Beijerinckia
under various partial pressures of oxygen and acetylene, /.
General Microbiology, 78, 207—209 (1973).
83. Stewart W. D. P. Nitrogen fixation by photosynthetic
microorganisms, Annual Review of Microbiology, 27, 283—316 (1973).
84. S t e w a r t W. D. P. Transfer of biologically fixed nitrogen in
a sand dune slack region, Nature, 214, 603—604 (1967).
85. S t u t z R. C, Bliss L. С Acetylene reduction assay for
nitrogen fixation under field conditions in remote areas, Plant and
Soil, 38, 209—213 (1973).
86. V a n d e r h о f f L. N., D a n а В., Ennerich D., Burris R. H.
Acetylene reduction in relation to levels of phosphate and fixed
nitrogen in Green Bay, New Phytologist, 71,, 1097—1105 (1972).
87. V e n к a t a r a m G. S. Algal Biofertilizers and Rice Cultivation.
Today and Tomorrow's Printers and Publishers, New Delhi
(1972).
88. VI ass а к К., Paul E. A., Harris R. E. Assessment of
biological nitrogen fixation in grassland and associated sites, Plant
and Soil, 38, 637—649 (1973).
89. W a t a n a b e A., Yamaraoto Y. Algal nitrogen fixation in the
tropics, Plant and Soil Special Volume, 403—413 (1971).
90. W a u g h m a n G. J., Bellamy D. J. Acetylene reduction in
surface peat, Oikos, 23, 353—358 (1972).
91. Weinhard P., Balandreau J.., Rinaudo G., Dommer-
g u e s Y. Fixation non symbiotique de l'azote dans la rhizosphu re
de quelques non-legumineuses tropkales, Revue d'Ecologie et de
Biologie du sol, 8, 367—373 (1971).
92. W i 1 s о n P. W. On the sources of nitrogen of vegetation etc.
Bacteriological Reviews, 21, 215—226 (1957).
93. W i 1 s о n P. W. Asymbiotic nitrogen fixation, in Encyclopaedia
of Plant Physiology, Vol. 8 (ed. by W. Ruhland), 9—47. Sprin-
ger-Verlag, Berlin (1958).
94. W i 11 у J. F. Algal nitrogen fixation on solid surfaces and in
temperate agricultural soils, PhD thesis, University of London
(1974).
95. Y о s h i d а Т., Ancajas R. R. Nitrogen fixing activity in
upland and flooded rice fields, Proc. SSSA, 37, 42—46 (1973).
УКАЗАТЕЛЬ ЛАТИНСКИХ НАЗВАНИЙ
Acanthamoeba 190
Acantharida 189
Acer 81
Achromobacter 101, 128, 150, 230
— georgiopolitanum 124
Acrasida 189, 190
Actinomycetales 14
Actinophrys 190
Actinopodia 189
Aerobacter aerogenes 14, 99
Aesculus indica 76
Agrobacterium 120, 142, 143
— radiobacter 125, 129, 133, 151
— rhizogenes 125
—rubi 125
— tumefaciens 52, 81., 125, 130,
142, 151
Agrostic sp. 133
Alcaligenes viscosus 127
Allantoin 188
Alnus 80
— glutinosa 77
— rubra 84
Alternaria sp. 52
Amaranthus pyramidalis 295
Ambrosia elatior 159
Ammophila arenaria 70, 288
Amoeba 190
Amoebida 189, 190
Anabaena azollae 294
Andropogon spp. 291
— gayanus 291
Anthriscus sylvestris 254
Apostomatida 189
Arachis hypogaea 64, 79
Araucariaceae 75
Arcella 190
Arthrobacter 52, 101, 104, 128
— viscosus 124, 132
Arthrobacterium 142
Aspergillus 102, 104, 212, 230
— glaucus 213
Astasia 188
Asteroxylon 218
Astomatida 189
Azolla 294
Azotobacter 4, 20, 51, 120, 121,
1*26, 127, 142, 143, 186, 193,
289
— agilis 127, 276
— chroococcum 49, 51, 52, 126,
131, 132k 192, 276, 289, 292,
298
— indicum (Beijerinckia indica)
126, 130—«132
— paspali 289, 292, 298
— vinelandii 122, 126, 127
Bacillus 15, 18, 49, 127, 128,
142, 233
— macerans 127
— megaterium 49, 104, 127
— polymyxa 127, 129, 131, 293,
298
— radicicola 141
— sphaericus 231
20*
307
Bacillus subtilis 53, 127, 133, 150
Bdellovibrio 151
Beijerinckia 122, 142, 289
— fluminensis 297, 298
— indica (Azotobacter indicum)
122, 126, 280, 297, 298
Betulaceae 77
Bicoecida 189
Bodo 188
Boletus badius 215
— bovinus 215
— subtomentosus 215
Brachiaria brachylopha 291
— mutica 291
— rugulosa 291'
Bulbostylis aphyllanthoides 291
Candida albicans 52
Casuarina 77
Casuarinaceae 77
Cenchrus ciliaris 291
Cenococcum graniforme 215
Centropyxis 190
Centrosema pubescens 112
Cephalothamnion 188
Cercobodo 188
Cercomonas 188
Chilodonella 190
Chilomonas 188
Chloromonadida 189
Choanoflagellida 188, 189
Chonotrichida 189
Chromobacterium 131
— violaceum 124, 130—132
Chrysamoeba 188
Chrysomonadida 188, 189
Ciliatea 189
Ciliophora 188—190
Cinetochilum 190
Clostridium 4, 16), 49, 289
— bifermentans 17
— botulinum 17
— butyricum 19, 21, 28, 1Ю0
— histolyticum 17
— oedematiens 17
— pasteurianum 19—21, 26, 28,
276, 279
— septicum 17, 18
— sporogenes 17—19
—tetani 17
— wekhii 17, 18
Cnidospora 188
Cochliobolus sativus 208
Codosiga 188
Colpoda 190, 192—194
— steini 192
Convolvulus arvensis 284
Coprosma robusta 111
Coriariaceae 77
Corynebacterium 233
— fascians 52
— insidiosum 128
— sepedonicum 128
Cryptomonadida 188, 189
Cryptomonas 188
Corythion 190
Cyathomonas 188
Cyclidium 190
Cylindrospermum 284
Cymbopogon citratus 291
— giganteus 291
Cynodon dactylon 291
— plectostachyus 300
Cyperus spp. 291
— obtusiflorus 291
— rotund us 291
— zollingeri 291
Cyrtolophosis 190
Cytophaga johnsonii 99
Derxia gummosa 122, 296
Deschampsia flexuosa 96
Desulfotomaculum 22
Desulfovibrio 22
Dictyostelium 190
Difflugia 190
Difflugiella 190
308
Digitaria decumbens 291, 293>
298=, 300
Dileptus 190
Dinoflagellida 189
Diplanthera 288
Discaria 84
Distigma 188
Dryas 85
Ebriida 189
Eleagnaceae 77
Enchelys 190
Endogone 76, 109—112, 217—
219, 292
Enterobacter 295—297
Entodiniomorphida 189
Entosiphon 188
Escherichia 295
— coli 141, 148
Eubacteriales 14
Euglena 188
Euglenida 188, 189
Euglypha 190
Euphorbia corollata 159
Fimbristylis sp. 291'
Flavobacterium 101, 128, 142,
233
Foraminiferida 189
Fragaria vesca 61
Fusarium 230
— oxysporum var. lycopersici 53
— roseum i. sp. cerealis 212
— solani 65
Gale 78
Galega officinalis 159
Gastrostyla 190
Glyceria borealis 288
Glycine max 159
Gonostomum 1'90
Granuloreticulosia 189
Gunnera 287
Gymnostomatida 189
Halteria 190
Haptomonadida 189
Hartmanella 190
Hebeloma 215
Hedera helix 234, 285
Heleopera 190
Helianthus annus 159
Heliozoida 189, 190
Helkesimastrix 168
Heracleum sphondylium 284
Heterodera avenae Woll, 246
Heteromita 188
Heteratrichida 189
Hymenostomatida 189
Hyparrhenia dissoluta 291
—rufa 291
Hypothelia dissoluta 291
Hypotrichida 189, 196
Keronopsis 190
Kinetoplastida 188, Ш9
Klebsiella 295», 296
-•• (Aerobacter) aerogenes 14
— pneumoniae 298
Laccaria amethystina 215
— laccata 215
Lactarius 214, 215
Lathyrus luteus 159
Leptomyxa reticulata 151
Lipomyces 231
— starkeyi 132, 231
Longidorus 239
Lonicera periclymenum 61
Lotononis bainesii 142
Loudetia simplex 291
Mallomonas 188
Mastigophora 188, 189
Mayorella 190
Medicago lupulina 152, 154
— sativa L. 78, 159
— tribuloides 160
309
Melinis minutiflora 112, 291
Mercurialis perennis 61, 284,
296
Metamonadida 189
Micrococcus 15
Monas 188
Monilia sp. 52
Monosiga 188
Monotropa 217
Mucor 245
— hieinalis 30
Mycetozoia 189
Mycobacterium scrofulaceum 16
— tuberculosis 16
Myrica 78
Myricaceae 77
Myxamoebae 190
Naegleria 190
— gruberi 186
Nebela 190
Nepeta glechoma 284
Nicotiarta tabacum 59
Nitrobacter 172, 173, 176, 177,
179
— agilis 176
— winogradskyi 176, 177
Nitrococcus mobilis nov. gen.
nov. sp. 177
Nitrocystis 173
Nitrosococcus 173, 174
— nitrosus 174
—oceanus 174
Nitrosocystis 169» 173, 179
— coccoides 173, 174
— javanensis 173
— oceanus 174, 179
Nitrosogloea 173
— membranacea 173
— merismoides 173
— schizobacteroides 173
Nitrosolobus multiformis 174
Nitrosomonas 169, 170, 172—
175, 177—179
— europaea 172—<176, 179
— javanensis 175
— monocella 175
— oligocarbogenes 175
Nitrosospira 169, 170, 173, 175,
176
— antarctica 176
— briensis 176
Nitrospina gracilis nov. gen.
nov. sp. 177
Nocardia 128, 177, 230, 233
Nostoc ellipsosporum 283
— puncti forme 284
Nuclearia 190
Odontostomatida 189
Oikomonas 188
Oligotrichida 189
Opalinatea 189
Opalinida 189
Oxytricha 190
Panicum maximum 291
Paramecium 195
Paspalum commersonii 291
— notatum 74, 1-1% 289—293,"
298
— virgatum 291
Paxillus involutus 215
Penicillium 212, 230, 244
Pennisetum clandestinum 291,
300
— coloratum 291
— purpureum 282', 291, 293, 300
—typhoides 291
Peranema 188
Peritricha 189
Peritrichida 189
Petalomonas 188
Phalansterium 188
Phalads 107
Phryganella 190
Phymatotrichum omnivorum 40
Phytomonadida 189
310
Phytophthora 214
— cactorum 209
— cinnamomi 210
— parasitica 65
Pinus contort a 82
— radiata 107
— taeda 91, 285
Plagiophyxis 190
Pleuromonas 188
Pleurotricha 190
Podocarpaceae 75
Podocarpus dacrydioides 76
— falcatus 75, 85
Polymyxa 142
Prorodon 190
Proteaceae 85
Proteus 104
Protozoa 188
Pseudomonadaceae 172
Pseudomonadales 14
Pseudomonas 15, 49, 101, 120,
128, 149, 150, 231
— aeruginosa 15
— denitrificans 15
— fluorescens 127
— radicicola Г57
Pseudotsuga menziesii 82
— taxifolia 285
Pythium 245
Radiolarida 189
Rhamnaceae 77
R'hizobium 62, 76, 79—81, 84,
85, 114, 120, 122, 125, 131,
141—144, 150—152, 154, 157,
229, 276
— japonicum Kirch. 52, 125, 142,
143, 146—148, 155, 157—159
— leguminosarum 125, 142, 143,
146, 147, 152—155, 157
— lupini Schrod. 142, 146, 148,
149, 151—'155
— meliloti Dang. 125, 126, 142,
146—148, 151—159
— phaseoli Dang. 125, 142, 155
/"—trifolii Dang. 125, 126, 130,
142, 143, 146—156, 158, 159
Rhizoctonia fragariae 39
Rhizopodia 189, 190
Rhizopus 104
Rhodomonas 188
Rhodopseudomonas palustres
227
Rhynia 218
Rosaceae 77
Pubiaceae 143
Rumex acetosa 96, 284
Russula 214, 215
Saccharum officinarum 291
Sainouron 188
Salpingoeca 188
Saprophilus 190
Sarcodinea 189
Sarcomastigophora 188, 189
Scabiosa columbaris 96
Schotia sp. 159
Sciadopityaceae 75
Scleroderma aurantium 215
Scytomonas 188
Serratia 104, 142
— marcescens 124, 125, 142
Sesbania cannabina 147
Silicoflagellida 189
Setaria anceps 291, 300
Sorghum 291
— vulgare 291
Spinifex hisutus 288
Spirillum lipoferum 296—298
Spiromonas 188
Spirotrichia 189
Spongomonas 188
Sporozoa 188
Stachys sylvatica 284, 293,
296—298
Streptomyces 101, 104
Stylosanthes guyanensis 63, 64
Suctoria 189
311
Suctorida 189
Syringodium 288
Testacida 189, 190
Thalassia 288
Thielaviopsis basicola 65
Thigmotrichida 189
Thiobacillus spp. 103
Tintinnida 189
Trema 79
— aspera 79
— cannabina 142
Tribulus cistoides 76
Trichoderma 203, 244
— viride 229, 244
Trichodorus 239
Trichopelma 190
Trichostomatida 189
Trifolium 142
— lupinaster 155
— pratense 153, 154
— repens 159
Trinema 190
Typha 288
Ulmaceae 7§
Uroleptus 190
Urostyla 190
Uroticha 190
Urtica dioica 96
Vahlkampfia 190
Vibrio 142, 226
Vicia faba 154
— narbonensis 159
— villosa 159
Viola canina 284
Vorticella 190, 196
Xanthemonadida 189
Xanthomonas campestris 123
Xeromyces 213
— bisporus 213
Zea mays 59
Zostera 288
Zygophyllaceae 76
Zygorrhynchus 245
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие к русскому изданию 3
Предисловие к английскому изданию • . 11
1. Анаэробные бактерии и их деятельность в почве.
Ф. А. Скиннер (F. A. Skinner) 12
1.1. Введение 12
1.2. Факультативные анаэробы 14
Восстановление нитратов 14
Сбраживающие факультативные анаэробы . .16
1.3. Облигатные анаэробы 16
Спорообразующие организмы .16
Азотфиксирующие клостридии 20
Другие облигатные анаэробы 22
1.4. Влияние анаэробов на структуру почвы и их функции 23
Ранние исследования анаэробных почвенных условий на
Ротамстедской станции 23
Денитрификация в переувлажненных почвах ... 25
Роль анаэробных организмов в нормально
увлажненных почвах 26
Внесение в почву сока, получаемого при
экстрагировании белка из листьев растений 27
Внесение жидкого навоза в почву 29
Другие аспекты деятельности анаэробов .... 29
Разложение пестицидов 30
1.5. Резюме и выводы 30
Литература 32
2. Микроорганизмы ризосферы — приспособленцы,
грабители или благодетели. М. Э. Браун (М. Е. Brown) . . 36
Литература 54
3. Аспекты анатомии корня, важные для микробиолога
Б. Моссе (В. Mosse) . . 58
3.1. Анатомия корней в почве . 58
Онтогенез и структура .58
Корневые волоски \ \ \ \ 51
Корневой чехлик и рост корней в почве 65
3.2. Поверхность корня ' 68
Форма поверхности корня ....... 68
Слизистый слой [ [ [ 70
3.3. Влияние микроорганизмов на анатомию корня '. [ [ 75
313
Клубеньки ,75
Микориза 81
Двойное заражение .84
Заключение 85
Литература ~ ... 86
4. Участие микроорганизмов и корней растений в
круговороте фосфора. Д. С. Хеймен (D. S. Hayman) ... 90
4.1. Круговорот фосфора и экосистемы 90
4.2. Соединения фосфора в почве 92
4.3. Поглощение почвенного фосфора растениями ... 95
4.4. Механизм преобразования фосфорных соединений
микроорганизмами 98
Растворение минеральных фосфатов ... . .98
Минерализация органического фосфора 99
Иммобилизация 100
Окисление и восстановление минерального фосфора . 100
4.5. Растворение, минерализация и иммобилизация фосфора
микроорганизмами в почве 101
Растворение 101
Минерализация 104
Иммобилизация 106
4.6. Влияние микроорганизмрв на корни растений . . 107
4.7. Микориза 108
Эктотрофная микориза 108
Везикулярно-арбускулярная микориза ... . . .109
Выводы • . . .112
Литература 115
5. Внеклеточные полисахариды почвенных бактерий.
К. М. Хеппер (Ch. M. Неррег) 120
Литература 136
6. Клубеньковые бактерии в почве. П. С. Натмен (P. S. Nut-
man) 141
6.1. Введение 141
6.2. Классификация и генетика клубеньковых бактерий '. 141
Свойства клубеньковых бактерий 144
6.3. Подсчеты численности клубеньковых бактерий в почве 145
6.4. Экология клубеньковых бактерий 146
Ризосфера 146
Влияние почвенной кислотности, щелочности и
содержания солей 147
Влажность и температура 148
Другие почвенные факторы, отрицательно влияющие на
клубеньковые бактерии .149
Численность и распределение в почве 151
6.5. Искусственное внесение клубеньковых бактерий в почву 158
6.6 Завершение цикла 160
Литература 162
7. Нитрификация и нитрифицирующие бактерии. Н. Уокер
(N. Walker) 168
7.1. Введение . . . , 168
7.2. Выделение и методы культивирования 170
7.3. Классификация нитрифицирующих бактерий .... 172
314
Окислители аммония . 173
Окислители нитрита 176
7.4. Биохимия нитрификации 177
7.5. Нитрификация в почве 180
Литература 181
8. Почвенные простейшие — мельчайшие животные
подземной микросреды. Дж. Ф. Дарбишир (J. F. Darbyshire) 185
8.1. Развитие почвенной протозоологии 185
8.2. Классы и роды простейших, обитающих в почве . .188
8.3. Почвенная микросреда . . . 190
8.4. Физиологические и морфологические свойства почвенных
простейших 195
8.5. Значение простейших в почвенном сообществе . . .197
Литература 198
9. Почвенные грибы. Р. М. Джексон (R. M. Jackson) . 203
Литература 219
10. Разложение микроорганизмами химических средств
защиты растений. Н. Уокер (N. Walker) 223
10.1. Введение 223
10.2. Устойчивость и сохраняемость синтетических соединений
в почве 224
10.3. Использование ароматических соединений
микроорганизмами 225
10.4. Микробиологическое разложение некоторых гербицидов
и ядохимикатов 228
10.5. Роль соокисления в разложении пестицидов .... 232
Литература 234
11. Влияние обработки биоцидами на почвенные организмы.
Д. С. Поулсон (D. S. Powlson) 237
11.1. Стерилизация и частичная стерилизация почвы . . . 237
11.2. Борьба с почвенными возбудителями болезней растений
путем биоцидных обработок 237
11.3. Изменения в почвенной популяции ...... 239
Фумиганты и тепловая обработка 239
Облучение 246
Воздушная сушка 247
Замораживание и оттаивание 248
Механическое перемешивание 248
11.4. Изменения в дыхании почвы 249
Фумигация 249
Нагревание и высушивание 251
Облучение 252
Замораживание и оттаивание 252
Механическое перемешивание 253
11.5. Изменения в минерализации почвенного азота . . 253
Изменения во время обработки 253
Изменения во время последующей инкубации . . . 254
11.6. Изменения в содержании водорастворимого
органического вещества 258
11.7. Объяснение изменений в почвенном метаболизме,
вызванных биоцидными обработками 259
315
11.8. Оценка почвенной биомассы по размерам вспышки
разложения после фумигации 265
Литература 267
12. Несимбиотическая фиксация азота в почве. II. Дж. Дарт,
Дж. М. Дэй (P. J. Dart, J. M. Day) . . . . . . 2?5
12.1. Введение 275
12.2. Методы измерения 277
12.3. Активность нитрогеназы в умеренной зоне .... 282
Поле Бродбока 282
Другие облесенные районы 285
Безлесные районы 286
12.4. Активность нитрогеназы в тропических условиях . 288
Злаковые травы 289
Зерновые культуры 294
12.5. Организмы, участвующие 'в фиксации азота . . 295
12.6. Значение для сельского хозяйства 299
Литература . . . . . . 301
Указатель латинских названий 307
ПОЧВЕННАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ
Редактор И. М. Спичкин
Художник Л. Я. Шимкина
Художественный редактор А. И. Бершачевская
Технические редакторы В. Ф. Андреенкова
и В. А. Зорина
Корректор М. И. Бынеев
И Б 2089
Сдано в набор 24.07.78. Подписано к печати
31.10.78. Формат 84ХЮ87з2. Бумага тип. № 2.
Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл.-
печ. л. 16,8. Уч.-изд. л. 18,72. Изд. № 59. Тираж
4700 экз. Заказ № 3081. Цена 1 р. 40 к.
Ордена Трудового Красного Знамени
издательство «Колос», 103716. ГСП, Москва, К-31,
ул. Дзержинского, д. 1/19.
Типография им. Смирнова Смоленского облуправ-
ления издательств, полиграфии и книжной
торговли, г. Смоленск, пр. им. Ю. Гагарина, 2.