ГЛАВА 2. СПЕЦИФИКА ПОЧВЫ КАК СРЕДЫ ОБИТАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Специфика почвы как среды обитания микроорганизмов состоит в том, что это трехфазная система с очень развитой твердой поверхностью, которая соседствует с жидкой и газовой фазами. Твердые частицы и агрегаты делят почву на многочисленные частично или полностью изолированные микрозоны, в которых создаются резко отличающиеся, а часто даже противоположные условия. Клетки микробов имеют микроскопические размеры и средой их обитания является микросреда. Сотни и тысячи таких микросред сосредоточены в каждом грамме почвы. Почва - это комплекс одновременно существующих, но совершенно различных микросред. Они меняются не только в пространстве, но и во времени. Микросреда со временем часто превращается в противоположную. Например, среда с органическими остатками быстро превращается в среду, содержащую только гумус. Если учесть, что передвижение микроорганизмов в почве из-за адгезии затруднено, то оказывается, что микроорганизмы находятся в среде с очень изменчивыми условиями и неравномерным питательным режимом. После поступления в микрообъем почвы свежего органического вещества наступает длительный период, когда единственным источником питания служит гумус.

Основываясь на экспериментальных данных, можно сделать вывод о том, что в каждой почвенной микрозоне оказываются микроорганизмы, способные использовать любой питательный субстрат, причем в различных условиях, которые возникают в микрозоне, например, при различном окислительно-восстановительном потенциале, рН, температуре, потенциале почвенной влаги. Это достигается благодаря наличию в почве колоссального запаса разнообразных микроорганизмов - микробного пула. Почвы обладают по сравнению с другими субстратами самым богатым микробным генофондом. В каждый момент времени большая часть микробов находится в неактивном состоянии. Основными зонами микробной активности являются растительные, животные и микробные остатки, ризоплана и кишечный тракт почвенных животных.

Рассмотрим сначала модель строения почвы без растений и животных, рис. 13. Для примера взяты водопрочные агрегаты диаметром 2-5 мм (2000-5000 мкм). Клетки располагаются внутри агрегатов и на их поверхности в водных пленках и капиллярах различной толщины. Часть микробов разлагает органические остатки. Состав газовой фазы внутри агрегатов и в межагрегатном пространстве разный. Некоторые авторы считают, что гифы грибов в основном располагаются на поверхности агрегатов, рис.14.

Рис. 13. Строение агрегированной почвы

Рис. 14. Гифы грибов в агрегированной почве

Внутри агрегатов в течение длительных промежутков времени могут существовать аэробные условия. Следует учитывать, что достаточно тонкой пленки из активно метаболизирующих клеток, чтобы под ней возникли анаэробные условия. Однако в почве в среднем интенсивность размножения микроорганизмов очень низкая.

Большинство почвенных бактерий имеет объем 0,1 мкм³, споры грибов - несколько кубических микрометров и объем гиф равен десяткам, сотням и тысячам кубических микрометров, рис. 15.

Рис. 15. Основные формы и размеры почвенных микроорганизмов в люминесцентном и фазово-контрастном микроскопах. Участки клеток, светящиеся при люминесценции:

1- зеленые; 2 - красные; 3 - участки, которые не видны в люминесцентном микроскопе, но видны при фазовом контрасте; 4 - светло-зеленые

ТВЕРДАЯ ФАЗА ПОЧВЫ

Твердая фаза содержит минеральные, органические и органоминеральные составные части.

Минеральная часть почвы представлена первичными и вторичными минералами. Крупная фракция почвы - песок (частицы с диаметром от 2 до 0,02 мм) и пыль (0,02 - 0,002 мм) состоит в основном из кварца, полевых шпатов, слюд и кальцита (в случае карбонатных почв). Глинистые минералы характеризуются очень маленькими размерами элементарных частиц (<0,01 мм) пластинчатой структуры, которые несут отрицательный заряд. Наличие глинистых соединений в почве определяет ее адсорбционную способность: ионную (особенно катионную) и молекулярную.

Минеральная часть почвы в основном состоит из кислорода и кремния, затем в убывающем порядке идут алюминий, железо, кальций, калий, натрий, магний. Эти 8 элементов составляют в сумме около 99% минеральной части почв. Минеральная часть почвы наименее динамична и образует каркас для других фаз.

Органическая часть почвы – хранилище всех питательных веществ включает в себя:

1) живые органические фракции: почвенные микроорганизмы, фауну почвы, корни растений. Все это в совокупности составляет биомассу почвы;

2) неживые органические фракции, которые образуются в процессе разложения отмерших организмов, различные гумусовые соединения. Самую большую долю занимают гумусовые вещества (80-85 % от всех органических веществ).

Органическое вещество почвы – совокупность живой биомассы и органических остатков растений, животных и микроорганизмов, продуктов их метаболизма и специфических новообразованных органических веществ почвы – гумуса. Запасы биомассы биоценозов, ее структура и динамика неодинаковы в разных природных зонах. Химический состав биомассы в значительной мере определяет все последующие этапы деструкции опада и образование гумуса. Почвенный гумус – основа почвы, ее плодородия, адсорбционной способности и биологической деятельности. Реакции, происходящие с участием органических веществ многочисленны и разнообразны: они включают ионный обмен, буферность, сорбцию химических веществ, окислительно-восстановительные реакции. Содержание и состав органических соединений в почвах агроэкосистем оказывают огромное влияние практически на все свойства и функции этих почв. Особую роль при этом играют специфические почвенные органические соединения – вещества гумусовой природы.

Влияние гумусовых веществ на плодородие почв чрезвычайно многообразно. Присутствие в почве достаточного количества гумусовых веществ способствует формированию прочной структуры и обеспечивает, таким образом, благоприятный водно-воздушный режим. Гумусовые вещества придают почве буферность в отношении элементов питания растений, особенно азота. Высокий уровень микробиологической активности почв также поддерживается высоким уровнем содержания гумуса. Таким образом, гумус является важным показателем плодородия почвы.

Гумусовые вещества играют огромную роль в предотвращении или снижении поступления в растения различных загрязняющих веществ (тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов и т.д.). Гумус является источником поступления в почву белков, углеводов, липидов и ароматических соединений. Распад органических веществ зависит от многочисленной группы микроорганизмов, включающей бактерии, актиномицеты, грибы, обитающие в почве водоросли, беспозвоночных и позвоночных почвенных животных.

Гумусовые вещества по растворимости и способности экстрагироваться делятся на большие группы: фульвокислоты, гуминовые кислоты и гумин. Иногда выделяют особую группу гиматомелановых кислот. Точное определение гумусовых веществ затруднено. Гумусовые вещества состоят из углерода (25-60%), кислорода (30-50%), азота (1-5%) и водорода (9-25%).

Фульвокислоты – наиболее растворимая группа гумусовых соединений, обладающая высокой подвижностью, значительно более низкими молекулярными массами, чем средневзвешенные молекулярные массы гумусовых веществ в целом. Фульвокислоты – фракция органических веществ, растворимая как в кислых, так и в щелочных растворах. Содержание углерода в этих соединениях более низкое, чем у представителей других групп гумусовых веществ. Они обладают относительно более выраженными кислотными свойствами и склонностью к образованию комплексных соединений. Фульвокислотам характерна более светлая окраска, чем веществам других групп. Они преобладают в почвах подзолистого типа, красноземах, некоторых почвах тропиков, сероземах.

Гуминовые кислоты – группа темно-окрашенных гумусовых соединений, которые хорошо растворяются в щелочных растворах, но не растворяются в воде и минеральных кислотах. Гуминовые кислоты имеют в среднем более высокие молекулярные массы, повышенное содержание углерода (до 62 %), менее выраженный кислотный характер. Преобладают в черноземах, каштановых почвах, иногда в серых лесных и хорошо окультуренных дерново-подзолистых. Преобладание в составе гумуса гуминовых кислот, особенно связанных с кальцием, наиболее благоприятно сказывается на плодородии почв и составе микроорганизмов в почве.

Гумин – негидролизуемая часть гумуса. Совокупность соединений гуминовых и фульвокислот, прочно связанных с минеральной частью почв.

Гуминовые кислоты и гумины растворимы только в щелочном растворе и осаждаются при подкислении. Имеют молекулярную массу от 30000 до 50000, несущую отрицательный заряд и обладающую функцией кислот, которая обусловлена наличием карбоксильной и фенольной групп.

Органо-минеральная часть почвы подразделяется на 3 группы:

1) простые гетерополярные соли, гуматы, фульваты аммония, щелочных и щелочно-земельных металлов;

2) вторая группа – комплексно-гетерополярные соли, которые образуются при взаимодействии гуминовых кислот с поливалентными металлами: железом, алюминием, медью, цинком и никелем (металл входит в анионную часть молекул и не способен к обменным реакциям);

3) третья группа – адсорбционные органо-минеральные соединения, включающие в себя соединения, образующиеся путем сорбции гуминовых веществ. Наиболее важные их них – глинистогумусовые соединения. Они определяют структуру почвы и, следовательно, физические свойства почв, а также обладают свойствами ионной и молекулярной адсорбции.

Наличие твердой фазы в виде минеральной и органической части (десятки квадратных метров на 1 г) делает почву средой резко отличной от природных вод, где часто не хватает минеральных элементов, необходимых для развития организмов, в первую очередь, фосфора и железа. В почве же они всегда присутствуют на твердой поверхности. Микробы в почвах располагаются преимущественно на поверхности твердой фазы. Это явление называют адгезией (адсорбцией, иммобилизацией) клеток. Она играет первостепенную роль в экологии почвенных микроорганизмов. Благодаря адгезии клетки удерживаются в почвенной толще и не вымываются в грунтовые воды, остаются на поверхности корней и твердых питательных субстратов (целлюлоза, лигнин, хитин). Адгезию клеток изучают либо с помощью люминесцентной микроскопии при окрашивании почвенной суспензии акридином оранжевым и калькофлуором, либо с помощью сканирующей электронной микроскопии. Установлено, что 80-90% клеток в почве обычно находится в адгезированном состоянии. Много свободно плавающих клеток появляется в почвенном растворе только после внесения в почву легкорастворимых питательных веществ (сахара, органические кислоты), хотя каждый микроорганизм, по-видимому, имеет прикрепленную стадию, обычно предназначенную для жизнедеятельности или для сохранения, и свободную стадию, предназначенную для расселения.

Адгезия микроорганизмов зависит от:

1) особенностей микроорганизма,

2) особенностей адсорбента,

3) состава жидкой среды, в которой она осуществляется: рН, концентрации и природы катионов и других веществ.

В первом приближении можно говорить о прямо пропорциональной зависимости количества адгезированных клеток от величины поверхности почвенных частиц (таб. 1), хотя более подробное изучение показывает, что бакте­рии располагаются на отдельных частицах крайне неравномерно. Некоторые частицы несут очень много клеток, другие частицы того же размера почти лишены их, что обусловлено различиями в химическом составе поверхности частиц.

Таблица 1

Распределение микроорганизмов в перегнойно-глеевой и дерново-подзолистой почве по частицам разной величины

(число адгезированных клеток)

ЖИДКАЯ ФАЗА ПОЧВЫ

Репродуктивная способность почв зависит от степени доступности элементов питания. Поставщиком веществ в почву для растений являются две фазы:

· жидкая фаза почвы, где вещества находятся в растворенном состоянии (наиболее доступные элементы);

· коллоидная фаза почвы, способная поглощать или обменивать ионы.

В связи с этим вводятся два понятия: почвенный раствор и почвенный поглощающий комплекс (ППК).

Почвенный раствор – это жидкая фаза почвы, включающая почвенную воду, растворенные в ней соли, органические и органоминеральные вещества. Для выделения почвенного раствора используются водные вытяжки, которые характеризуют содержание в почве легкорастворимых солей и наиболее легкодоступных для растений питательных элементов. В водной вытяжке в соотношении 1:5 обычно определяют: сухой (плотный) остаток, щелочность, анионный и катионный состав. В почвенном растворе присутствуют растворенные газы: СО₂,О₂ и др.

Почвенный поглощающий комплекс (ППК) – совокупность минеральных, органических и органоминеральных соединений высокой степени дисперсности, нерастворимых в воде и способных поглощать и обменивать поглощенные ионы. Наиболее подвижную часть обменных ионов ППК извлекают раствором KCl, менее подвижную часть – ацетатом натрия. Извлеченные из почвы солевыми растворами ионы называют обменными. При засолении почв токсичными являются ионы, извлеченные раствором хлорида калия, так как они являются наиболее подвижными и доступными для растений. В связи с этим в вытяжке раствором KCl в соотношении 1:2 определяют емкости катионного обмена (ЕКО), содержание ионов натрия, магния, кальция, калия, железа, аммония, рН солевой вытяжки, обменную и гидролитическую кислотность.

Жидкая фаза почвы (почвенный раствор) обычно располагается в капиллярах или образует пленки разной толщины. Капилляры и пленки могут быть значительно толще или тоньше клеток микроорганизмов (рис. 16). Сравнительно редко после дождей, полива или подъема уровня грунтовых вод в почве появляются большие объемы воды, которые движутся под действием сил гравитации. Для жидкой фазы почвы характерна микрозональность в отношении содержания газов, органических веществ, рН, Eh и др. На протяжении некоторого времени микрозоны могут различаться и по потенциалу влаги. Он может быть различным в течение долгого времени в разных почвенных горизонтах.

Жидкая фаза почвы всегда содержит некоторое количество минеральных, органических и органоминеральных веществ в молекулярном или коллоидном состоянии, а также растворенные газы. Однако концентрация питательных веществ в почвенном растворе обычно очень мала, и развитие микроорганизмов в объеме почвенного раствора происходит сравнительно редко.

Рис. 16. Пространственное расположение клеток бактерий (1) и различных форм воды (2)

Они развиваются в адгезированном состоянии. Таким образом, главная функция почвенного раствора заключается в переносе веществ и обеспечении микроорганизмов водой. Снабжение питательными веществами обычно проходит два этапа: 1) перенос питательных веществ с почвенным раствором на твердую поверхность и концентрирование на ней, 2) использование адсорбированных веществ адгезированными микробными клетками.

Почвенный раствор в сотни и тысячи раз менее концентрирован по сравнению с обычно применяемыми микробиологическими питательными средами, например средой Чапека, мясопептонным бульоном или крахмало-аммиачной средой.

Необходимо иметь в виду, что в отдельных микрозонах и в естественной почве могут создаваться высокие концентрации растворенных и нерастворенных органических питательных веществ. Примером микрозон первого типа может служить ризоплана с непрерывным поступлением большого количества корневых выделений, а примером микрозон второго типа - отмерший корешок растения или погибший дождевой червь.

ГАЗОВАЯ ФАЗА ПОЧВЫ

Почва почти всегда содержит большое количество пор (10-60% объема), частично заполненных водой и газами. Состав почвенных газов, с одной стороны, определяется скоростью биохимических процессов, происходящих в почве, с другой - поступлением газов из атмосферы.

Абиотические процессы газовыделения и связывания газов на фоне перечисленных играют весьма скромную роль. Оценивая роль газов в почве, академик В.И. Вернадский (1926) писал: «Почва, взятая без газов, не есть почва. Роль почвы в истории земной коры отнюдь не соответствует тонкому слою, какой она образует на ее поверхности. Но она вполне отвечает той огромной активной энергии, которая собрана в ее живом веществе и которая способна к переносу благодаря проникающим в почву газам. Говоря о значении биохимических процессов в почвах и о значении почвы в области биосферы, мы, другими словами, скрыто указываем на первенствующую роль газов в почвенных процессах и на значение этих газов в газовом обмене земной коры».

Раскрытие роли почвенных газов шло главным образом по пути выяснения интенсивности и значения поглощения почвой кислорода и выделения углекислого газа. Другие газы изучались мало. Установлено, что эти процессы идут в огромных масштабах: потребление кислорода за 1 ч составляет 1000-4000 л/га; примерно в таких же масштабах выделяется и углекислый газ. Рассчитано, что запасов кислорода в почве в связи с интенсивностью его потребления почвенными микроорганизмами и корнями растений хватило бы всего на 12-48 ч, в некоторых почвах - на 100 ч, если бы его запас не пополнялся из атмосферы. Газообмен между воздухом и почвой идет весьма интенсивно. Обычно в пахотном горизонте за каждый час происходит почти полное обновление воздуха. Построенная модель газообмена в системе почва-атмосфера позволила определить, что главную роль в газообмене играет диффузия и подчиненную, но для некоторых условий весьма существенную, - конвекция. Конвекция в большой степени связана с разностью температуры почвы и воздуха, изменениями барометрического давления, влиянием ветра, выпадением осадков и изменением уровня грунтовой воды и верховодки.

Почвенные микроорганизмы и корни растений резко изменяют газовую фазу почвы. По газовому составу почвенный воздух в десятки и сотни раз отличается от атмосферного воздуха, причем такие различия наблюдаются несмотря на то, что, как отмечалось, почвенный и атмосферный воздух быстро обмениваются. Даже этот быстрый обмен не приводит к выравниванию содержания газов в атмосфере и почве, т.е. продукция и потребление газов в почве идут очень быстро. Градиент концентраций между почвой и атмосферой поддерживается благодаря интенсивной деятельности почвенной биоты. Почва выступает как мощный регулятор газового состава атмосферы.

Почвенный воздух содержит в 10-100 раз больше углекислоты и во много раз меньше кислорода, чем атмосферный воздух. Содержание азота несущественно отличается от атмосферного. Кроме того, почвенный воздух всегда содержит пары воды и ряд микрогазов, а также летучие органические вещества, которые в каждый данный момент, хотя и содержатся в небольших количествах, но из-за быстрого круговорота, а также сильного физиологического действия могут иметь большое значение в балансе веществ в экосистеме.

Определение интенсивности процессов газообразования и потребления газов в почве проводится двумя принципиально разными способами:

1) в природе - актуальная, естественная, природная активность,

2) в модельных опытах (чаще всего в почвенных образцах), в которых создаются оптимальные условия для протекания данного процесса (потенциальная активность). Часто при таких условиях процессы проходят в десятки, сотни и тысячи раз интенсивнее, чем в естественной среде.

Газы и летучие органические соединения только частично поступают в почву извне и в основном образуются в самой почве, причем их источником могут быть микроорганизмы, растения и животные. Наибольшее разнообразие газообразных веществ в почве образуют микроорганизмы: углекислый газ, окислы азота, азот, аммиак, сероводород, водород, метан, этан, бутан, пропан, этилен, пропилен, бутен и еще ряд газообразных углеводородов. Они проводят превращения соединений металлов.

Все газы, которые микроорганизмы способны образовывать, они могут и изменять. Благодаря соседству и многократному повторению аэробных и анаэробных микрозон, достаточно плотному расположению микроорганизмов внутри и на поверхности почвенных агрегатов, а также сложности системы пор в почве, по которым движутся газы, почва представляет собой весьма совершенную ловушку для газов (исключение составляют макрогазы, например СО₂, пары воды, которых очень много и которые интенсивно не используются микроорганизмами). Можно предположить, что только небольшой части микрогазов и летучих органических веществ удается вырваться наружу в атмосферу. Поверхность пор капилляров и агрегатов заселена микроорганизмами, которые могут весьма совершенно перехватывать диффундирующие, особенно энергонесущие газы.