ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2009, № 10, с. 1222-1232
БИОЛОГИЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^ ПОЧВ
УДК 631.41
ОЦЕНКА БАКТЕРИАЛЬНОГО РАЗНООБРАЗИЯ ПОЧВ: ЭВОЛЮЦИЯ ПОДХОДОВ И МЕТОДОВ
© 2009 г. Т. Г. Добровольская1, А. В. Головченко1, Т. А. Панкратов2, Л. В. Лысак1, Д. Г. Звягинцев1
1Факулътет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы 2Институт микробиологии им. СН. Виноградского РАН, 117312, Москва, Проспект 60-летия Октября, 7/2
Поступила в редакцию 10.12.2008 г.
В обзоре дается анализ работ российских и зарубежных микробиологов за последние 20 лет, в которых описаны новые подходы и методы оценки бактериального разнообразия почв. На примере торфяных почв показано, как менялись представления о разнообразии бактериальных сообществ этих почв в соответствии с эволюцией методов - от традиционных культуральных до молекулярно-биологических. Приводятся данные о новых филотипах, родах и видах бактерий, адаптированных к росту в кислой среде и низкой температуре, свойственных болотным экосистемам. Одна из главных задач почвенной микробиологии в настоящее время - необходимость перехода от баз данных по микробному разнообразию, составленных на основании молекулярно-биологических методов, к анализу экологических функций почвенных микроорганизмов. Обсуждаются перспективы экологической оценки бактериального разнообразия почв на основе интеграции разных методов.
ВВЕДЕНИЕ
Внедрение молекулярно-биологических методов в почвенную микробиологию способствовало разрешению многих проблем, связанных с оценкой микробного разнообразия почв. В качестве явных преимуществ этого метода перечисляются следующие: отпадает необходимость использования трудоемких процедур посева, культивирования и выделения чистых культур микроорганизмов, при этом разнообразие бактериальных сообществ, определяемое этими методами, в сотни и более раз выше по сравнению с разнообразием коллекций бактерий, выделенных из этих же мест [58]. Возможным становится учет и тех групп бактерий, которые не способны расти в лабораторных условиях - так называемых "некуль-тивируемых форм". Была продемонстрирована вероятность обнаружения с помощью молекулярно-биологических методов анализа новых эволюционных линий на филогенетическом древе прокариотов [46].
Все это позволило сделать следующие выводы: те группы и таксоны бактерий, которые определяются по методу посева, представляют собой очень небольшую часть бактериального сообщества почв. Более того, предполагается, что разнообразие определяется часто совсем не теми таксонами, которые выявляются в качестве доминирующих на тех или иных питательных средах. Таким образом, ставятся под сомнение все традиционные, применяемые в течение почти столетия методы оценки разнообразия микробных сообществ почв. Неужели традиционные
культуральные методы полностью исчерпали себя, а молекулярно-генетические преподносят нам "истину в последней инстанции"? Чтобы ответить на этот вопрос необходимо проанализировать те изменения в методах и подходах к оценке бактериального разнообразия почв, которые происходили в течение ХХ-начале XXI в. Мы попытаемся это сделать на примере оценки результатов бактериального разнообразия торфяных почв.
БАКТЕРИАЛЬНОЕ РАЗНООБРАЗИЕ ТОРФЯНИКОВ
Долгое время существовало мнение о крайней бедности торфа микроорганизмами и даже о его стерильности. Первые исследования микробных сообществ торфяников датированы 20-30-ми годами XX в. [1, 60]. Установлено, что торфяники содержат различные группы микроорганизмов: бактерии, актиномицеты, грибы, дрожжи. Микробиологов в основном интересовали вопросы, связанные с деградацией гуминовых веществ, влиянием различных агрохимических приемов на свойства торфа, процессами азотфиксации, аммонификации, целлюлозолитической активности микроорганизмов. Основная ценность работ этого периода в их концептуальной направленности на выявление функциональной роли микроорганизмов в торфяниках, тогда как их значение для оценки микробного разнообразия невелико, в силу отсутствия таксономической классификации микроорганизмов.
В 40-80-е годы XX в. изучение разнообразия бактериальных сообществ торфяников проводилось большей частью на уровне определения физиологических групп бактерий [3, 14]. Однако судить о таксономическом разнообразии по соотношению физиологических групп бактерий практически невозможно. В настоящее время доказано, что одни и те же виды микроорганизмов могут в разных условиях осуществлять различные физиологические процессы, например аммонификацию, азотфиксацию и денитрификацию. С другой стороны, каждый физиолого-биохими-ческий процесс в почве проводят нескольких дублирующих друг друга микроорганизмов (принцип дублирования). В связи с полифункциональностью микроорганизмов следует говорить о физиологических процессах, проводимых ими, а не о физиологических группах [15].
В 70-80-е годы XX в. появились работы, в которых можно найти уже перечни морфологических групп и родов бактерий, встречающихся в торфяниках [18, 34]. Было показано, что в торфяных почвах, независимо от их генезиса, развивались преимущественно неспорообразующие бактерии. Максимальную долю от бактериального населения составляли флуоресцирующие и пигментные бактерии. Спектр грамотрицательных бактерий включал представителей родов: Pseudomonas, Achromobacter, Cytophaga, Chromo-bacterium, Polyangium; грамположительных - Bacillus, Clostridium, Streptomyces, Actinomyces, Micromonospora, Nocardia.
Один из возможных подходов к оценке бактериального разнообразия почв методом посева был предложен на кафедре биологии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Его принцип заключался в том, чтобы не стараться описать разнообразие всех групп и таксонов бактерий, что практически невозможно, а выбрать в качестве модельной группу бактерий, все представители которой способны расти на одной питательной среде. При этом становится возможным определение доли разных таксонов бактерий, учитываемых на используемой среде, то есть анализ сообщества на основании использования различных общепринятых синэкологических показателей. Модельная группа считается выбранной удачно, если удалось установить особенности структуры бактериальных комплексов, отражающие адаптацию бактерий к условиям, складывающимся в определенном типе почвы, экосистемы или природно-климатической зоны.
В качестве такой удачной модельной группы для изучения бактериального разнообразия в почвах разных типов нами выбран комплекс са-протрофных аэробных и факультативно-анаэробных бактерий, растущих на глюкозо-пептон-но-дрожжевой среде [13], участвующих в конвей-
ерной переработке растительных остатков. Родовая структура этого комплекса была изучена в различных почвах, в том числе и торфяных. При этом мы не ограничивались изучением только верхних горизонтов, а анализировали все слои торфяника, как это принято при изучении почвы как профильного тела. Идентификацию выделенных штаммов до рода проводили на основании морфологических, культуральных и хемотаксо-номических признаков, используя определители [21, 23, 56]. Максимальное разнообразие бактерий было выявлено в низинных высокозольных торфяниках, минимальное - в верховых и переходных торфах.
Показатели обилия (абсолютные и относительные) для отдельных родов бактерий приведены ранее [7, 8, 10, 11]. Среди как грамотрицательных, так и грамположительных бактерий обнаружены представители всех эколого-трофических групп: гидролитики, копиотрофы и олиготрофы (табл. 1). Доля гидролитиков в торфяниках не превышала 30%. Их численность, относительное обилие и разнообразие были выше там, где происходит более активная деструкция растительных остатков, то есть в низинных торфяниках. В верховых торфяниках гидролитический комплекс представлен значительно беднее, что может быть дополнительным аргументом при объяснении факта медленной деструкции растительных остатков в них.
К специфическим особенностям таксономического состава бактериальных комплексов торфяных почв можно отнести явное доминирование бактерий-гидробионтов, наличие факультативно-анаэробных бактерий - представителей семейств Enterobacteriaceae и Vibrionaceae, различных видов Bacillus, скользящих бактерий родов Cytophaga и Sporocytophaga, а также бактерий, способных расти при низких значениях рН среды. Все выделенные штаммы рода Beijerinckia принадлежали к одному виду - Beijerinckia mobilis. Следует отметить способность бактерий этого рода расти при низких значениях pH среды, отсюда понятна приуроченность именно этих бактерий к верховым и переходным торфяникам, в то время как их близкий "родственник"- Azotobacter - обнаруживали лишь в высокозольных низинных торфяниках, характеризующихся нейтральной реакцией среды.
Таким образом, спектр родов, входящих в комплекс аэробных и факультативно-анаэробных бактерий, отражает адаптацию бактерий к обитанию в земноводных ландшафтах с пониженным содержанием кислорода и кислой реакцией среды.
Использование специфических сред и других методов выделения и учета позволило расширить представление о разнообразии и функциях бактериальных сообществ торфяников. Олиготроф-
Таблица 1. Список родов сапротрофных бактерий, выделенных из торфяных почв на глюкозо-пептонно-дрожжевой среде
Окраска по Грамму Эколого-трофические группы Роды (37)
Грамотрицательные бактерии Гидролитики Polyangium, Nannosystis, Cystobacter, Myxococcus,
(26) Cytophaga, Sporocytophaga, Chitinophaga, Flavobacterium, Erwinia
Копиотрофы Аэробные протеобактерии: Aquaspirillum, Azospirillum, Pseudomonas, Xanthomonas, Achromobacter, Chromobacterium, Methylobacterium, Janthinobacterium, Xanthomonas, Azotobacter, Beijerinckia Факультативно-анаэробные протеобактерии: Klebsiella, Proteus,Vibrio, Aeromonas, Plesiomonas
Олиготрофы Caulobacter
Грамположительные бактерии Гидролитики Спорообразующие бактерии: Bacillus,
(11) Paenibacillus, Clostridium Актинобактерии: Cellulomonas, Streptomyces, Nocardia, Micromonospora
Копиотрофы-олиготрофы Arthrobacter, Rhodococcus, Micrococcus, Mycobacterium
ные бактерии удалось выделить из торфяников методом предельных разведений [7], при этом исполь
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.